3D打印PVA双重网络离子导电复合水凝胶

来源： EngineeringForLife

离子导电水凝胶在能量存储与转换、软体机器人和生物传感等领域应用越来越广泛。特别是聚电解质水凝胶，因其聚合物链带有正电荷或负电荷，展现出了优异的电化学稳定性和电荷稳定性，从而受到了特别关注。然而，这些水凝胶的机械性能脆弱，限制了它们在实际应用中的广泛使用。

鉴于此，西北工业大学张彪团队联合淮阴工学院胡光团队开发了一种新型的3D打印离子导电复合水凝胶，这种水凝胶通过加入经过修饰的膨润土（Attapulgite，简称ATP）和聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，简称PVA）的双重网络增强，具备了优异的机械性能和离子导电性。

图1 凹凸棒石增强离子导电水凝胶的3D打印

通过使用𝜸-甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）适度修饰的ATP刚性颗粒和PVA半晶态双重网络增强，制备了机械强度高和导电性好的N,N,N-三甲基乙氨基氯化物（AEtMACl）基水凝胶。利用数字光处理（DLP）技术，可以快速打印出这种复合水凝胶，克服了传统水凝胶在3D打印上的局限性。   

图2 凹凸棒石增强的坚固导电离子复合水凝胶的力学和电学性能

通过调整M-ATP（改性凹凸棒土）含量、PVA（聚乙烯醇）含量、水含量以及它们之间的相互作用来优化离子导电水凝胶的机械性能。实验结果表明，当M-ATP含量为5wt%，PVA含量为7wt%，水含量为40%时，水凝胶展现出最佳的综合机械性能，包括提高的拉伸强度和延展性。此外，通过结构设计，还制备了超出水凝胶应变限制的应变传感器，并证明了水凝胶在循环拉伸测试中具有良好的循环稳定性，这对于开发可穿戴应变传感器具有重要意义。

图3 凹凸棒石增强的坚固导电离子复合水凝胶的电学性能

改性凹凸棒土增强的离子导电水凝胶的电学性能，包括其在不同含水量下的导电性、在拉伸过程中的电阻变化、以及在循环拉伸中的应变传感性能。实验发现，水凝胶的导电性随着含水量的增加而提高，且在0%至90%的应变范围内具有线性响应，表现出良好的应变传感特性。此外，利用这些水凝胶制造的生物传感器能够检测人体喉结的运动，如在说话和吞咽过程中的上下移动，显示出在生物传感领域应用的潜力。   

图4 水凝胶传感器的封装与结构设计

对改性凹凸棒土增强的离子导电水凝胶进行封装和结构设计的方法，以提高其在干燥或湿润环境中的稳定性。通过使用基于聚氨酯的透明弹性体对水凝胶进行封装，成功解决了水凝胶在环境变化下的脱水或吸水问题，显著提高了其存储时间。此外，设计的传感器结构，如正弦形状的应变传感器，能够扩展水凝胶的应变感应范围至175%，增强了其在实际应用中的性能。封装后的传感器在室温下存储12小时后仍能保持其导电性和传感性能，证明了封装策略的有效性。

全文总结：
总而言之，本文通过数字光处理(DLP) 3D打印技术成功制造了一种具有优异机械性能和离子导电性的复合水凝胶。该水凝胶利用适度改性的凹凸棒土(M-ATP)和聚乙烯醇(PVA)双重网络增强，不仅在含水量40%时展现出最佳导电性能，而且通过封装策略显著提高了其环境稳定性和存储时间。此外，该水凝胶在生物传感领域展现出巨大潜力，能够检测人体喉结运动和手指弯曲等动作，为柔性电子设备和智能可穿戴技术的发展提供了创新材料解决方案。   


文章来源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202408775