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2019-07-10
柔性电子的发展迫切需要同时具备优良的机械性能（韧性、可拉伸性和自恢复性能）、导电性和透明性等集多种性能与一体的柔性导体。水凝胶作为一种半固态离子导体，鉴于其高透明性、粘弹性和易调控性等优点，在柔性电子领域引起研究者广泛的关注。然而，传统水凝胶力学性能和自恢复能力通常较弱，难以满足实际应用的需求。在水凝胶中引入共价键交联网络是提高力学性能的有效方法，但是由于共价键自身的不可逆性，将会很大程度的牺牲其自恢复能力。而水凝胶的自恢复性能，以及发生形变后的机械和导电性能的稳定性决定了柔性电子器件的寿命和性能稳定性，成为考量柔性电子器件的主要参数。因此，为了达到可拉伸柔性电子器件的实际要求，需要制备同时具有高强度、自恢复和导电性能的水凝胶材料。
针对上述问题，陈咏梅教授课题组首次采用将自由基聚合和冻融处理结合的方法制备了基于氢键的快速自恢复、导电、高强度硫酸-聚丙烯酸/聚乙烯醇水凝胶（H2SO4-PAA/PVA，SPP，水凝胶）。在该凝胶体系中，H2SO4同时发挥两个功能：抑制聚丙烯酸高分子链上羧酸基的电离，从而促进氢键形成，提高力学性能，同时，提供导电氢离子以提高水凝胶的导电性能。因此，水凝胶获得了优异的综合机械性能，包括快速自恢复 (应变为1时，瞬间自恢复；应变为20时，10 min内自恢复)、高断裂强度(3.1 MPa)和高韧性(18.7MJ m−3) （图1）。
此外，基于水凝胶上述优异的综合力学性能和导电性，设计了基于该水凝胶的可拉伸离子导线和电容型压力传感器。在500%变形时，该可拉伸离子导线的电阻率基本保持不变，所以在反复拉伸过程中仍表现出良好的导电性和性能稳定性，整个拉伸期间麦克风可正常播放音乐。基于该水凝胶的电容型压力传感器在反复加载后对静压和动压都表现出良好的信号响应。由于水凝胶快速的自恢复性，在撤去外力后，器件的响应瞬间恢复到初始状态（图2）。该水凝胶对设计性能稳定、长寿命的柔性电子器件具有推动的意义，有望拓展水凝胶在可拉伸电子领域中的应用。
图1基于氢键的快速自恢复、高强度导电SPP水凝胶。(A)两步法制备氢键基物理水凝胶，(B)水凝胶经过打结、拉伸和自恢复及压缩后自恢复过程的照片，(C) 不同固含量水凝胶的拉伸应力-应变曲线，(D) 固含量30%的水凝胶在不同时间下的自恢复曲线 (室温)。
图2 基于SPP水凝胶的可拉伸离子导线和电容型压力传感器。(A)水凝胶的电阻率随拉伸强度的变化。插图：电阻随拉伸比变化的实验结果 (实线) 接近理论曲线 (虚线)，(B) 可拉伸离子导线实验装置示意图和安装在与电脑连接的麦克风导线上的照片，(C)压力传感器的结构，片状水凝胶夹在两个平板铝电极之间，(D)当两个电极之间施加电压时，铝电极附近会吸附水凝胶中带相反电荷的电离子形成双电层，电容会随着压力的施加而增大，(E) 传感器对静压的稳定、高响应性能，(F) 传感器对手指动态弯曲的响应性能。
相关工作发表在ACS Appl. Mater. Interfaces （JCR1区，IF=8.456）杂志上，博士生王美香为本论文的第一作者，陕西科技大学特聘教授陈咏梅，西安交通大学杨志懋教授和美国内布拉斯加大学谭力教授为共同通讯作者。
论文信息与链接：Wang MX, Chen YM*, Gao Y, Hu C, Hu J, Li T*, Yang ZM*.ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018, 10, 26610-26617. DOI: 10.1021/acsami.8b06567
全文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/acsami.8b06567
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