400-8910-119
首页 > 应用案例 > 能源材料 > 详情
东华大学朱美芳院士团队开发了水凝胶制备新技术
2021/7/21 16:25:37 易丝帮

同时具有高机械强度/模量和超高稳定导电性的可拉伸导电水凝胶是软机器人、人造皮肤和生物电子应用的理想选择。但是,大多数导电部件都是刚性的,当拉伸到较大的应变时,水凝胶的导电性会迅速降低几个数量级。此外,由于水环境中导电组分和聚合物网络之间的界面相互作用相对较弱,制备具有高稳定电导率的可拉伸水凝胶仍然面临巨大挑战。

 

强健的机械性能对于导电水凝胶的实际应用也是至关重要的,特别是对于模拟肌肉、肌腱和皮肤的柔软人体组织,这些都需要高模量和高强度。提高水凝胶中聚合物网络的交联密度是提高水凝胶机械强度和模量的有效途径,但可能导致水凝胶含水量的显著降低。因此,通过常规策略来制造能够同时满足上述两个关键要求的水凝胶是非常具有挑战性的。

 

图片1.png

东华大学朱美芳院士团队采用静电纺丝与真空辅助过滤相结合的方法,制备了以芳纶纤维(ANFs)增强聚乙烯醇(PVA)水凝胶和银纳米线(AgNWs)/PVA为材料的三明治结构混合水凝胶。混合 ANF-PVA 水凝胶表现出优异的机械性能,拉伸模量为 10.7-15.4 MPa,拉伸强度为 3.3-5.5 MPa,断裂能高达 5.7 kJ m-2,这主要归因于PVA和ANF之间强烈的氢键相互作用和纤维结构的面内排列。


合理的非均相结构设计使水凝胶具有超高的表观电导率,为1.66 × 104 S m−1,是迄今为止报道的导电率最高的水凝胶之一。更重要的是,这种超高导电性在0-90%的应用应变范围和超过500次拉伸循环中保持不变。此外,由于其超高的导电性,水凝胶还具有优异的焦耳加热和电磁干扰屏蔽性能。这些机械强度高、具有超高应变不变性电导率的混合水凝胶在许多重要应用领域都有很大的前景,比如柔性电子产品。相关内容以“Mechanically Strong and Multifunctional Hybrid Hydrogels with Ultrahigh Electrical Conductivity”为题目发表于国际著名期刊《Advanced Functional Materials 》上。

 

三明治结构导电杂化水凝胶的制备

 

将ANF和PVA均溶于二甲亚砜(DMSO)中,形成均一的溶液,通过优化的静电纺丝参数,可以制备不同数量的ANF复合纤维毡(图1a)。


ANF 与 PVA 的较高比例导致 ANF-PVA 溶液的粘度极高,不能用于使用静电纺丝制造纳米纤维结构。 ANF 增强的 PVA 纤维垫是通过在 68±2°C 的密闭室中静电纺丝 ANF-PVA 溶液获得的。


采用真空过滤沉积法将AgNWs/PVA 悬浮液沉积在ANF-PVA纤维毡上,然后在其上静电纺另一层ANF-PVA纤维毡,将ANF-PVA纤维毡在去离子水中浸泡24 h制备ANF-PVA水凝胶,制备了夹层结构的导电ANF-PVA/AgNWs杂化水凝胶。

 

图片2.png

图 1. a) ANF 增强 PVA 水凝胶和具有夹层结构的导电混合水凝胶的制造过程示意图。b) ANF 增强 PVA 水凝胶中分子相互作用的示意图。c,d) 通过静电纺丝制造的 ANF-PVA 纤维垫的照片和 SEM 显微照片;e,f) 在 ANF-PVA 纤维垫上通过真空辅助过滤 AgNWs/PVA 制备的导电混合水凝胶;g,h) 三明治结构的导电水凝胶。

 

图片3.png

图2 . a) 拉伸应力-应变曲线;b) 拉伸强度、弹性模量;c) 具有不同 ANF 含量的 ANF 增强 PVA 水凝胶以及具有 0.23 vol% AgNWs 的三明治结构 ANF 1.96%-PVA/AgNWs 混合水凝胶的断裂伸长率和断裂能。


图片4.png

图3 .a) PVA 和 ANF-PVA 水凝胶的结晶度。b) 具有不同 ANF 含量的 ANF-PVA 水凝胶的一维散射强度分布曲线和c) 归一化的一维电子密度相关曲线。d) 不同 ANF 含量的 ANF-PVA 水凝胶的平均晶片厚度、晶片之间的长间距和晶片厚度的多分散性。

 

图片5.png

图 4. a) 不同 ANF 含量的 PVA、ANF 和 ANF-PVA 水凝胶的 FTIR 光谱;b) O-H 和 c) C-O 的拉伸变化。d) 复数粘度,e) 储能模量,和 f) PVA 和 ANF-PVA 溶液的损耗模量。


图片6.png

图 5. a) 薄层电阻和 b) 具有不同 AgNWs 含量的导电 ANF-PVA/AgNWs 水凝胶的表观电导率。c) AgNWs 体积分数为 0.23% 的 ANF-PVA/AgNWs 水凝胶的抗拉伸应变;d) 相对于拉伸-恢复循环的电阻变化,拉伸应变设置为 15%。e) 阻力变化与折叠恢复周期的关系,折叠角度设置为 180°。f) 水凝胶的拉伸强度和电导率的比较。g) 导电 ANF-PVA/AgNWs 水凝胶在拉伸、弯曲和扭曲下作为电路导体的照片。h) 在混合水凝胶拉伸之前和之后,网状导电 AgNWs 网络和通过导电网络的电子传输路径的示意图。


图片7.png

图 6. a) 不同电压驱动的 ANF-PVA/AgNWs 水凝胶的焦耳热性能。分别使用 b) 0、c) 1 和 d) 1.5 V 的低供电电压加热水凝胶的红外照片;e) ANF-PVA/AgNWs 水凝胶作为电致变色材料的演示应用。水凝胶中的 AgNWs 含量为 0.23 vol%。


图片8.png

图 7. a) X 波段的 EMI 屏蔽性能;b) ANF-PVA/AgNWs 水凝胶的 SET、SER 和 SEA 值的比较。 c) 导电 ANF-PVA/AgNWs 水凝胶用于无线模块 EMI 屏蔽的示例应用。

 

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202104536


网友评论 请遵循相关法律法规,理性发言
回复
查看更多回复

分享

为了更好的浏览体验,请使用谷歌,360极速,火狐或Edge浏览器