东华大学叶长怀&朱美芳Adv. Funct. Mater.：兼具高机械强度和超高电导率的多功能杂化水凝胶的制备

DOI: 10.1002/adfm.202104536

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工程的理想选择，但迄今为止，它们的制备仍面临着巨大挑战。在此，研究者采用静电纺丝结合真空辅助过滤制备了基于芳纶纳米纤维（ANFs）增强聚乙烯醇（PVA）水凝胶层和银纳米线（AgNWs）/PVA的三明治结构杂化水凝胶。结果表明，杂化ANF-PVA水凝胶具有优异的机械性能，拉伸模量为10.7-15.4MPa，拉伸强度为3.3-5.5MPa，断裂能高达5.7kJ/m2，这主要归因于PVA和ANFs之间的强氢键相互作用以及纤维结构的平面取向。异质结构的合理设计使水凝胶具有1.66×104S/m的超高表观电导率，是迄今为止报道的导电水凝胶的最高电导率之一。更重要的是，这种超高电导率在0-90％的较宽应变范围内以及500次拉伸循环期间保持不变。此外，超高电导率使该水凝胶具有优异的焦耳热和电磁干扰屏蔽性能。这些兼具高机械强度和超高应变不变导电性的杂化水凝胶在许多重要的应用领域，如柔性电子器件中具有广阔的应用前景。

图1.a）ANF增强PVA水凝胶和三明治结构导电杂化水凝胶的制备过程示意图。b）ANF增强PVA水凝胶中分子相互作用的示意图。c,d）通过静电纺丝制备的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制备的导电杂化水凝胶；g,h）三明治结构的导电水凝胶。

图2.具有不同ANF含量的ANF增强PVA水凝胶以及含0.23vol％AgNWs的三明治结构ANF1.96％-PVA/AgNWs杂化水凝胶的a）拉伸应力-应变曲线；b）拉伸强度，弹性模量；c）断裂伸长率和断裂能。

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）具有不同ANF含量的ANF-PVA水凝胶的平均晶体片厚度、晶体片之间的长间距和晶体片厚度的多分散性。

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

图5.具有不同AgNWs含量的导电ANF-PVA/AgNWs水凝胶的a）薄层电阻和b）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）电阻变化与拉伸恢复周期的关系，拉伸应变设置为15％。e）电阻变化与拉伸恢复周期的关系，折叠角设置为180°。f）水凝胶的拉伸强度和电导率的比较。g）导电ANF-PVA/AgNWs水凝胶作为导体在拉伸、弯曲和扭曲下的照片。h）杂化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示意图。

图6.a）不同电压驱动ANF-PVA/AgNWs水凝胶的焦耳热性能。分别使用b）0、c）1和d）1.5V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0.23vol％。

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

文章来源：北京永康乐业公司 http://www.biofabrication.cn/

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