天然高分子基水凝膠在電子器件領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，但是基于純天然高分子的水凝膠通常機械性能較差；另外水凝膠在零度以下不可避免地會凍結(jié)，大大限制了實際應(yīng)用。可見，采用天然高分子來制備高拉伸、壓縮和高強度的水凝膠仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。
為解決這一挑戰(zhàn)，來自華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室的何明輝副研究員通過烯丙基纖維素在氫氧化鈉/尿素水溶液中的自由基聚合，獲得了高拉伸（~126%）和壓縮性能（~80%）的纖維素離子水凝膠。制備的纖維素離子水凝膠還具有較高的透明性（透過率~89%在550 nm處），導(dǎo)電性（~0.16 mS cm-1）和電信號穩(wěn)定性。水凝膠中的離子還賦予其低溫適應(yīng)性，-20℃的工作環(huán)境下沒有導(dǎo)致透明度的降低。該導(dǎo)電水凝膠可用于制備可靠的應(yīng)變傳感器，用于檢測人體活動。本研究將有助于纖維素基離子水凝膠構(gòu)建具有高機械強度、透明的柔性電子器件。
圖1.纖維素離子水凝膠的合成示意圖。
研究人員制備了不同取代度的烯丙基纖維素（烯丙基縮水甘油醚用量與纖維素上的脫水葡萄糖單元摩爾比5到9），并用其制備了不同種類的纖維素離子水凝膠（過硫酸銨用量分別為0.6 wt%、1.0 wt%、1.5 wt%、2.0 wt%、2.5 wt%、3.0 wt%），并對其進行了結(jié)構(gòu)表征（圖2）。
圖2. A）纖維素和烯丙基纖維素的1H-NMR譜圖，烯丙基縮水甘油醚用量與纖維素上的脫水葡萄糖單元摩爾比5到9；B）烯丙基纖維素的取代度；纖維素、烯丙基纖維素、纖維素離子水凝膠（CIH8-1.0）的C）ATR- FTIR光譜和D）XRD圖譜。
纖維素離子水凝膠的機械性能和導(dǎo)電性能具有可調(diào)性（圖3和圖4）。通過調(diào)節(jié)烯丙基縮水甘油醚和過硫酸銨的用量，制備得到的水凝膠在纖維素、幾丁質(zhì)、殼聚糖等純天然高分子基水凝膠中具有最好的拉伸性能(拉伸應(yīng)變可達126%)和壓縮性能(壓縮應(yīng)變可達80%)。水凝膠中的離子還賦予其低溫適應(yīng)性，-20℃的工作環(huán)境下沒有透明度的降低（圖4D）。
圖3.纖維素離子水凝膠的機械性能。A）不同含量過硫酸銨的纖維素離子水凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；B）含有不同用量的烯丙基縮水甘油醚的纖維素離子水凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；C）水凝膠在壓縮模式下的模量及斷裂功；D）不同含量過硫酸銨的纖維素離子水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；E）含有不同用量的烯丙基縮水甘油醚的纖維素離子水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；F）水凝膠在拉伸模式下的楊氏模量和斷裂功；G）壓縮和H）拉伸性能的比較。
圖4.纖維素離子水凝膠的導(dǎo)電性能。A）電化學(xué)阻抗譜圖；B)電化學(xué)阻抗高頻區(qū)域；C）電導(dǎo)率；D）熱穩(wěn)定性。
具有良好拉伸性、壓縮性、可靠性和穩(wěn)定性的導(dǎo)電凝膠可作為穿戴式應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測人體活動（圖5）。
圖5.纖維素離子水凝膠應(yīng)用于傳感器的電信號。A）和B）電阻對施加拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變的依賴性；C）循環(huán)1100次的電阻變化曲線；D）應(yīng)變傳感器在監(jiān)測人體活動中的腕部彎曲響應(yīng)。
以上相關(guān)成果發(fā)表在Biomacromolecules（2019，20，2096-2104），并入選為當(dāng)期的封面論文。論文的第一作者為華南理工大學(xué)博士生仝瑞平，通訊作者為華南理工大學(xué)何明輝副研究員，華南理工大學(xué)陳廣學(xué)教授給了很多建設(shè)性的指導(dǎo)。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.9b00322