《ACSAMI》：用于高灵敏度运动监测的具有双层结构的离子水凝胶的防冻和不干燥传感器

Title:AntifreezingandNondryingSensorsofIonicHydrogelswithaDouble-LayerStructureforHighlySensitiveMotionMonitoring

Authors:XiaoyongZhang,*GuiZhang,XinhuaHuang,JinmeiHe,YongpingBai,andLidongZhang*

ACSAppliedMaterialsInterfaces(IF9.)

PubDate:-06-24,

DOI:10./acsami.2c

摘要

冷冻和脱水以及界面失效能够导致用于传感应用的水凝胶功能降低。在此，安徽理工大学XiaoyongZhang，华东师范大学LidongZhang（通讯作者）团队开发了一种多功能双层，该双层由受贻贝启发的粘合剂层和由对苯乙烯磺酸钠(SSS)和[BMIM]Cl离子液体组成的功能离子层组成。粘合剂层使双层能够牢固地粘附到皮肤表面。SSS-[BMIM]Cl离子元素的引入不仅为双层提供了在-25至75°C的宽温度范围内的传感适应性，还赋予了它弹性、可拉伸、自愈和导电等特性。这些机械特性用于组装可穿戴传感器，该传感器在监测人体运动（包括伸展、脉动、皱眉和说话）方面具有前所未有的灵敏度和可重复使用性。因此，预计这项工作中的概念将为设计可在宽温度范围内工作的软传感设备提供一条有希望的途径。相关成果以“AntifreezingandNondryingSensorsofIonicHydrogelswithaDouble-LayerStructureforHighlySensitiveMotionMonitoring”为题发表在《ACSAppliedMaterialsInterfaces》上。

图文导读

图1.双层水凝胶的制备过程。(a)双层水凝胶的制备示意图。(b)放大部分显示了多种键合相互作用的示意图。(c)展示防冻和不干燥的可穿戴水凝胶传感器性能，以保持灵活性和检测人体运动。

图2.(a)四种原料化学品的FTIR。(b)SSS0.3-[BMIM]Cl0.3水凝胶在紫外聚合过程中的FTIR。(c)各种SSS-[BMIM]Cl水凝胶中=C-H键的转化与固化时间的函数关系。(d)SSS0.3-[BMIM]Cl0.3水凝胶的EDS。(e)各种SSS-[BMIM]Cl水凝胶的最短凝胶固化时间和最大转化率。

图3.SSS-[BMIM]Cl水凝胶的机械性能和SEM图像。(a)拉伸变形包括扭曲、打结和交叉拉伸。(b)举起克的重物。(c)刺伤和快速恢复。(d)用手指按压，然后快速恢复。(e)SSS0.3-[BMIM]Cl0.3水凝胶的SEM图像。

图4.SSS-[BMIM]Cl水凝胶的机械性能。(a)不同成分水凝胶的应力-应变曲线。(b)最大拉伸应力和模量。(c)不同成分水凝胶的压缩应力-应变曲线。(d)最大压缩应力和模量。(e)原始和SSS-[BMIM]Cl水凝胶在25、75和-25°C下储存24小时后的最大拉伸应变损失率。(f)原始和SSS-[BMIM]Cl水凝胶在25、75和-25°C下储存24小时后的最大压缩应力变化率。

图5.水凝胶在75和-25°C下储存24小时后的光学演示。（a，b）原始水凝胶的LED灯泡在-25和75°C分别储存24小时后的扭曲变形和照度变化。(c,d)SSS0.3-[BMIM]Cl0.3水凝胶的LED灯泡在分别在-25和75°C下储存24小时后的扭曲变形和照度变化。

图6.SSS-[BMIM]Cl水凝胶的自我修复。(a)愈合后的水凝胶可承受自身拉伸的光学演示。(b)愈合水凝胶的应力-应变曲线。(c)水凝胶的自愈效率。(d)水凝胶切割/连接过程中几个循环的时间相关电流变化。

图7.SSS-[BMIM]Cl水凝胶的电性能。(a)使用SSS-[BMIM]Cl水凝胶作为离子导体的电路方案。(b)不同成分的凝胶LED灯泡的照度变化和作为电子皮肤打电话的情况。(c)不同组成的水凝胶的电导率。(d)凝胶在25、75和-25°C下储存24小时后的动态拉伸灵敏度。(e)凝胶在25、75和-25°C下储存24小时后的动态测量因子。(f)SSS-[BMIM]Cl水凝胶传感器在%应变下超过次循环的耐久性测试。

图8.水凝胶的相对电阻变化：(a)无粘合剂时；(b)不同的伸长率；(c)在%应变下进行23次循环测试；(d)以不同的弯曲速度粘在手指上；(e)运行前的脉冲；(f)运行后的脉冲；(g)说“水凝胶”字眼；(h)无声说出“水凝胶”字眼；(i)皱眉时。

小结

在这项研究中，开发了一种紫外聚合策略来制造一种具有惊人多功能（例如，弹性、自愈、宽温度窗口和对微小运动的敏感响应）的新型双层水凝胶。SSS和[BMIM]Cl掺入水凝胶中可有效提高水凝胶的韧性、延展性、保水性和导电性。通过AM和[BMIM]Cl之间的氢键，以及SSS和[BMIM]Cl之间的离子相互作用，所得水凝胶表现出可逆键合，从而具有出色的机械和自愈能力。此外，[BMIM]+离子可能会干扰水分子的聚集，从而导致水凝胶的冰点降低和高电导率。此外，由于优异的韧性和可恢复性，由SSS-[BMIM]Cl水凝胶制造的可穿戴传感器在宽温度范围内表现出高传感灵敏度和可重复使用性。值得注意的是，SSS-[BMIM]Cl水凝胶可穿戴传感器可以监测各种人类活动，包括拉伸等大动作和脉搏、皱眉和说话等微小运动信号。因此，这项工作为设计和制造高灵敏度软可穿戴传感器提供了一条有前途的新途径。

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