3D打印PVA雙重網絡離子導電復合水凝膠

來源： EngineeringForLife

離子導電水凝膠在能量存儲與轉換、軟體機器人和生物傳感等領域應用越來越廣泛。特別是聚電解質水凝膠，因其聚合物鏈帶有正電荷或負電荷，展現出了優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性和電荷穩(wěn)定性，從而受到了特別關注。然而，這些水凝膠的機械性能脆弱，限制了它們在實際應用中的廣泛使用。

鑒于此，西北工業(yè)大學張彪團隊聯(lián)合淮陰工學院胡光團隊開發(fā)了一種新型的3D打印離子導電復合水凝膠，這種水凝膠通過加入經過修飾的膨潤土（Attapulgite，簡稱ATP）和聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，簡稱PVA）的雙重網絡增強，具備了優(yōu)異的機械性能和離子導電性。

圖1 凹凸棒石增強離子導電水凝膠的3D打印

通過使用𝜸-甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）適度修飾的ATP剛性顆粒和PVA半晶態(tài)雙重網絡增強，制備了機械強度高和導電性好的N,N,N-三甲基乙氨基氯化物（AEtMACl）基水凝膠。利用數字光處理（DLP）技術，可以快速打印出這種復合水凝膠，克服了傳統(tǒng)水凝膠在3D打印上的局限性。   

圖2 凹凸棒石增強的堅固導電離子復合水凝膠的力學和電學性能

通過調整M-ATP（改性凹凸棒土）含量、PVA（聚乙烯醇）含量、水含量以及它們之間的相互作用來優(yōu)化離子導電水凝膠的機械性能。實驗結果表明，當M-ATP含量為5wt%，PVA含量為7wt%，水含量為40%時，水凝膠展現出最佳的綜合機械性能，包括提高的拉伸強度和延展性。此外，通過結構設計，還制備了超出水凝膠應變限制的應變傳感器，并證明了水凝膠在循環(huán)拉伸測試中具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，這對于開發(fā)可穿戴應變傳感器具有重要意義。

圖3 凹凸棒石增強的堅固導電離子復合水凝膠的電學性能

改性凹凸棒土增強的離子導電水凝膠的電學性能，包括其在不同含水量下的導電性、在拉伸過程中的電阻變化、以及在循環(huán)拉伸中的應變傳感性能。實驗發(fā)現，水凝膠的導電性隨著含水量的增加而提高，且在0%至90%的應變范圍內具有線性響應，表現出良好的應變傳感特性。此外，利用這些水凝膠制造的生物傳感器能夠檢測人體喉結的運動，如在說話和吞咽過程中的上下移動，顯示出在生物傳感領域應用的潛力。   

圖4 水凝膠傳感器的封裝與結構設計

對改性凹凸棒土增強的離子導電水凝膠進行封裝和結構設計的方法，以提高其在干燥或濕潤環(huán)境中的穩(wěn)定性。通過使用基于聚氨酯的透明彈性體對水凝膠進行封裝，成功解決了水凝膠在環(huán)境變化下的脫水或吸水問題，顯著提高了其存儲時間。此外，設計的傳感器結構，如正弦形狀的應變傳感器，能夠擴展水凝膠的應變感應范圍至175%，增強了其在實際應用中的性能。封裝后的傳感器在室溫下存儲12小時后仍能保持其導電性和傳感性能，證明了封裝策略的有效性。

全文總結：
總而言之，本文通過數字光處理(DLP) 3D打印技術成功制造了一種具有優(yōu)異機械性能和離子導電性的復合水凝膠。該水凝膠利用適度改性的凹凸棒土(M-ATP)和聚乙烯醇(PVA)雙重網絡增強，不僅在含水量40%時展現出最佳導電性能，而且通過封裝策略顯著提高了其環(huán)境穩(wěn)定性和存儲時間。此外，該水凝膠在生物傳感領域展現出巨大潛力，能夠檢測人體喉結運動和手指彎曲等動作，為柔性電子設備和智能可穿戴技術的發(fā)展提供了創(chuàng)新材料解決方案。   


文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202408775