聚乙烯醇/聚吡咯复合导电水凝胶应变传感器的制备及性能

doi:10.7503/cjcu20200480

摘要/Abstract

摘要：

以聚乙烯醇(PVA)为原料, 植酸(PA)和氨基-聚倍半硅氧烷(NH₂-POSS， NP)为交联剂, 通过冻融循环法制得PVA/PA/NP复合水凝胶, 再以其为模板, 通过吡咯的原位聚合制得PVA/PA/NP-PPy复合导电水凝胶, 克服了聚吡咯材料易脆、疏水的特性, 进一步改善了水凝胶的导电性和灵敏性. 循环拉伸实验结果表明该水凝胶具有良好的自回复能力, 电导率高达7.53 S/m, 从I-V曲线可知其作为柔性可穿戴应变传感器的最高检测电流可达 9.029 mA, 灵敏度因子可达6.796, I-T曲线表明该传感器可以准确地通过电流信号变化来监测人体的各种微小运动.

关键词: 聚乙烯醇, 聚吡咯, 导电水凝胶, 应变传感器

Abstract:

PVA/PA/NP hydrogel was prepared via freeze-thaw cycle method using poly（vinyl alcohol）（PVA） as raw material， phytic acid（PA） and amino-polyhedral oligomeric silsesquioxane（NH₂-POSS， NP） as cross-linking agents. Then， PVA/PA/NP-PPy composite conductive hydrogel was prepared by in?situ polymerization of pyrrole， which overcomed the fragile and hydrophobic characteristics of polypyrrole materials， and further improved the conductivity and sensitivity of hydrogels. The cyclic tensile curve prove that the hydrogel has good self-recovery ability， the conductivity is as high as 7.53 S/m. It can be seen from the I-V curves that the highest detection current of the hydrogel as a flexible strain sensor can reach 9.029 mA and the gauge factor can reach 6.796. The results show that it can accurately monitor many kinds of tiny movements of human body through the change of current signal.

Key words: Poly（vinyl alcohol）, Polypyrrole, Conductive hydrogel, Strain sensor

中图分类号:

O631

TrendMD:

王杰, 李莹, 邵亮, 白阳, 马忠雷, 马建中. 聚乙烯醇/聚吡咯复合导电水凝胶应变传感器的制备及性能. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 929.

WANG Jie, LI Ying, SHAO Liang, BAI Yang, MA Zhonglei, MA Jianzhong. Preparation and Properties of Poly（vinyl alcohol）/polypyrrole Composite Conductive Hydrogel Strain Sensor. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 929.

图/表 10

Fig.1 Digital photos of PPy(A) and PVA/PA/NP?PPy composite conductive hydrogels(B) prepared with different Py molar concentrationsc(Py)/(mol·L-1): a. 0.2; b. 0.4; c. 0.6; d. 0.8; e. 1.0; f. 1.2.

Scheme 1 Schematic diagram of PVA/PA/NP?PPy composite conductive hydrogel

Fig.2 FTIR spectra(A) and XRD patterns(B) of hydrogel samples

Fig.3 SEM images of PVA/PA/NP(A), PPy(B), PVA/PA/NP?PPy?0.8(C) and PVA/PA/NP?PPy?1.2(D) composite couductive hydrogels

Fig.4 Cyclic tensile curves of PVA/PA/NP?PPy?0.8 composite conductive hydrogel(A) Under different strains; (B) under the same strain of 200%.

Fig.5 I?V curves of PVA/PA/NP?PPy?0.2(A), PVA/PA/NP?PPy?0.4(B), PVA/PA/NP?PPy?0.6(C), PVA/PA/NP?PPy?0.8(D), PVA/PA/NP?PPy?1.0(E) and PVA/PA/NP?PPy?1.2(F) composite conductive hydrogels at different strains

Fig.6 Conductivity(A) and relative resistance change(B) of PVA/PA/NP?PPy composite conductive hydrogelsInset shows the hydrogel acting as a conductive pathway connecting the circuit to light up an LED bulb.

Fig.7 Linear fitting curve of ΔR/R0?strain of PVA/PA/NP?PPy?0.4 at different strains

Fig.8 Comparisons of gauge factor(GF) of hydrogels as strain sensors

Fig.9 Schematic diagram and I?T curves of the hydrogel as a flexible strain sensor for detecting human activity(A) The configuration of the strain sensor assembled with PVA/PA/NP-PPy composite conductive hydrogel; (B) the curvature of the finger was increased from 0° to 90°, and each movement was kept for 5 s; (C) the finger was kept at 90° for 5 s, and then the bending was rapidly changed from 90° to 0°; (D) the bending of the finger was gradually changed from 0° to 30°, 60°, 90°, which was repeated for 2 times; (E) clenching and release of hand; (F) the bending of finger was rapidly reduced from 0° to 90° and repeated for 200 s. Inset shows the detection schematic diagram of the finger and wrist in different motion states.

参考文献 28

1	Zhao F.， Bae J. W.， Zhou X. Y， Guo Y. H， Yu G. H.， Adv. Mater.， 2018， 30（48）， 1801796
2	Liu Y. X.， Chen L.， Zhao Z. G.， Fang R. C.， Liu M. J.， Acta Polymerica Sinica， 2018，（9）， 1155—1174（刘玉霞，陈列，赵紫光，房若辰，刘明杰. 高分子学报， 2018，（9）， 1155—1174）
3	Rong Q. F.， Lei W. W.， Liu M. J.， Chem. Eur. J.， 2018， 24（64）， 16930—16943
4	Yang J.， Li Y.， Yu X.， Sun X.， Zhu L.， Qin G.， Dai Y.， Chen Q.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2019， 58（36）， 17001—17009
5	Zhang S.， Zhang Y. H.， Li B.， Zhang P.， Kan L.， Wang G. J.， Wei H.， Zhang X. Y.， Ma N.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11（35）， 32441—32448
6	Han L.， Lu X.， Wang M. H.， Gan D. L.， Deng W. L.， Wang K. F.， Fang L. M.， Liu K. Z.， Chan C. W.， Tang Y. H.， Weng L. T.， Yuan H. P.， Small， 2017， 13（2）， 1601916
7	Nezakati T.， Seifalian A.， Tan A.， Seifalian A. M.， Chem. Rev.， 2018， 118（14）， 6766—6843
8	Hu X. P.， Liu Z. H.， You D.， Wang C. Y.， Fu Z. B.， Lu. T.， NewChemical Materials， 2012， 40（7）， 110—113（胡小平，刘志虎，游丹，王朝阳，付志兵，卢涛. 化工新型材料， 2012， 40（7）， 110—113）
9	Hosseini⁃Nassab N.， Samanta D.， Abdolazimi Y.， Annes J. P.， Zare R. N.， Nanoscale， 2017， 9（1）， 143—149
10	Li B. T.， Shao W.， Xiao D.， Zhou X.， Dong J. W.， Tang L. M.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（1）， 183—190（李勃天，邵伟，肖达，周雪，董俊伟，唐黎明. 高等学校化学学报， 2020， 41（1）， 183—190）
11	Zang L. M.， Liu Q. F.， Qiu J. H.， Yang C.， Wei C.， Liu C. J.， Lao L.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（39）， 33941—33947
12	Darabi M. A.， Khosrozadeh A.， Mbeleck R.， Liu Y. Q.， Chang Q.， Jiang J. Z.， Cai J.， Wang Q.， Luo J. X.， Xing M.， Adv. Mater.， 2017， 29（31），170053
13	Yu C. C.， Wang C. Y.， Liu X.， Jia X. T.， Naficy S.， Shu K. W.， Forsyth M.， Wallace G. G.， Adv. Mater.， 2016， 28（42）， 9349—9355
14	Jiang S.， Liu S.， Feng W.， J. Mech. Behav. Biomed. Mater.， 2011， 4（7）， 1228—1233
15	Zhao C. X.， Bai X.， Zou G. X.， Li J. C.， Journal of Changzhou University（Natural Science Edition）， 2017， 29（3）， 1—5（赵彩霞，柏祥，邹国享，李锦春. 常州大学学报（自然科学版）， 2017， 29（3）， 1—5）
16	Gao H. W.， Yang R. J.， He J. Y.， Yang L.， Acta Polymerica Sinica， 2010，（5）， 542—549（高瀚文，杨荣杰，何吉宇，杨磊. 高分子学报， 2010，（5）， 542—549）
17	Ge G.， Zhang Y. Z.， Shao J. J.， Wang W. J.， Si W. L.， Huang W.， Dong X. C.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28， 1802576
18	Liu Y. J.， Cao W. T.， Ma M. G.， Wan P. B.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（30）， 25559—25570
19	Shao L.， Li Y.， Ma Z. L.， Bai Y.， Wang J.， Zeng P. Y.， Gong P.， Shi F. X.， Ji Z.Y.， Qiao Y.， Xu R.， Xu J. J.， Zhang G. H.， Wang C. Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（23）， 26496—26508
20	Pan L. J.， Chortos A.， Yu G. H.， Wang Y. Q.， Isaacson S.， Allen R.， Shi Y.， Dauskardt R.， Bao Z. N.， Nat. Commun.， 2014， 5， 3002
21	Han J. Q.， Wang H. X.， Yue Y. Y.， Mei C. T.， Xu X. W.， Acta Materiae Compositae Sinica， 2017， 34（10）， 2312—2320（韩景泉，王慧祥，岳一莹，梅长彤，徐信武. 复合材料学报， 2017， 34（10）， 2312—2320）
22	Tong Y. D.， Zhang Y. H.， Liu Y. Y.， Cai H. B.， Zhang W. A.， Tan W. S.， RSC Adv.， 2018， 8， 13813—13819
23	Zhao Z.， Chen H. D.， Zhang H.， Ma L. A.， Wang Z. X.， Biosens. Bioelectron.， 2017， 91， 306—312
24	Han L.， Cui S. B.， Yu H. Y.， Song M. L.， Zhang H. Y.， Grishkewich N.， Huang C. J.， Kim D.， Tam K. C.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11（47）， 44642—44651
25	Yao T. J.， Jia W. J.， Tong X.， Feng Y.， Qi Y.， Zhang X.， Wu J.， J. Colloid Interface Sci.， 2018， 527， 214—221
26	Liu S. J.， Li L.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（31）， 26429—26437
27	Hu C. X.， Zhang Y. L.， Wang X. D.， Xing L.， Shi L. Y.， Ran R.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（50）， 44000—44010
28	Jing X.， Mi H. Y.， Lin Y. J.， Enriquez E.， Peng X. F.， Turng L. S.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（24）， 20897—20909

[1]	刘树威, 晋皓, 尹万忠, 张皓. 用于卵巢癌化疗-光热联合治疗的吉西他滨/聚吡咯复合纳米粒子[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220345.
[2]	张勇, 许俊, 鲍雨, 崔树勋. 非极性有机溶剂对分子内氢键弱化程度的单分子力谱定量研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210863.
[3]	杨兆华, 成鸿静, 杨弋, 刘辉, 杜飞鹏, 张云飞. 聚乙烯醇载银海绵的制备及界面光热驱动水蒸发性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220181.
[4]	白景奇, 白珊, 任丽霞, 朱孔营, 赵蕴慧, 李晓晖, 袁晓燕. 海藻糖改性聚乙烯醇及其防雾/防霜涂层[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2683.
[5]	潘晓君, 鲍容容, 潘曹峰. 可穿戴柔性触觉传感器的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2359.
[6]	蔡雅倩, 张家怀, 刘方哲, 李海潮, 石建平, 关爽. Hofmeister效应辅助的蛋白质基水凝胶应变传感器[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2609.
[7]	倪卿盛, 杜淼, 单国荣, 宋义虎, 吴子良, 郑强. 一维粒子对聚乙烯醇水溶液流变行为的调控[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3738.
[8]	张如强, 张国亮, 龙柱, 张丹, 李志强, 王士华, 胡爱林. 轻质柔性聚酰亚胺纸基电磁屏蔽材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3211.
[9]	宫宇宁, 王奇, 王红蕾, 关爽. 聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/碘复合水凝胶的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2078.
[10]	孙孟莹,吕景春,徐红,张琳萍,钟毅,陈支泽,隋晓锋,毛志平. 磷腈-紫精聚合物的合成与电致变色性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1399.
[11]	闫铭,周炜东,张鸿,石军峰,赵云鹤,叶泳铭,郭静,于跃. PVA微晶交联和SA/PAA双网络协效增强增韧SA纤维[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(2): 349.
[12]	王乙涵,尹强,杜凯,殷勤俭. 聚吡咯/聚苯胺二元复合纳米管及其热电性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 175.
[13]	李勃天,邵伟,肖达,周雪,董俊伟,唐黎明. 聚吡咯纳米线凝胶的模板制备及储能与电化学传感性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 183.
[14]	毛龙, 刘跃军, 范淑红. 聚吡咯改性层状黏土/聚己内酯抗菌纳米复合材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1726.
[15]	任宸锐, 刘根起, 秦夏彤, 刘晨辉, 范晓东. 聚乙烯醇二维光子晶体水凝胶的制备及乙醇响应行为[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(7): 1520.