DOI: 10.1016/j.cej.2021.128470
导电水凝胶柔性传感器由于其优良的柔性和高灵敏度，在可穿戴电子器件领域受到越来越多的关注。然而，对于导电水凝胶柔性传感器而言，导电水凝胶关键特性（强度、可拉伸性、抗冻性、抗菌特性和较大的线性传感范围）的集成对于其实际应用是非常必要的。在这项工作中，研究者创造性地使用软1D蚕丝纳米纤维（SNFs）和硬2D石墨氮化碳（g-C3N4）纳米片，以共增强聚乙烯醇（PVA）有机水凝胶。令人惊讶的是，仅添加0.1％的蚕丝纳米纤维和少量的g-C3N4纳米片大大提高了有机水凝胶的拉伸强度（约3.2倍）和韧性（约7.7倍）。当使用由水和乙二醇组成的二元溶剂体系时，有机水凝胶具有抗冻功能。即使在-18℃下，也可以很好地保持有机水凝胶的柔性和导电性。由于添加了Al3+，导电聚乙烯醇-蚕丝纳米纤维-石墨氮化碳纳米片（PVA/SNF/CN）有机水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率分别为99.527％和99.41％。基于PVA/SNF/CN有机水凝胶的三明治式柔性应变传感器具有较大的线性传感范围（0％-100％）、快速响应（276ms）和出色的抗疲劳性能（1000个循环）。它不仅可以成功检测到人体运动（腕部弯曲，膝关节弯曲）和面部表情（微笑和皱眉），而且还能在使用长达20天的时间内保持输出信号的准确性。PVA/SNF/CN有机水凝胶在柔性传感器中显示出巨大的潜力。
图1.液体剥离法制备蚕丝纳米纤维的方法。（a）示意图显示在-18℃下使用NaOH/尿素/H2O混合溶液剥离蚕丝来制备SNFs。（b）脱胶蚕丝纤维的SEM图像。（c）SEM图像显示蚕丝纤维的一些裂缝。（d）SNFs的SEM图像。（e）具有明显廷德尔效应的SNFs水分散体照片。
图2.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的制备。（a）导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的合成步骤。（b）导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的内部相互作用示意图，（c）导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的可注射特性。（d）照片显示有机水凝胶出色的形状加工性能。
图3.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的力学性能。（a）打结的水凝胶拉伸时的图像，（b）PVA/SNF/CN有机水凝胶的压缩。（c）PVA-0.1％SNF-CN的负载演示。（d）导电PVA/SNF/CN有机水凝胶和纯PVA有机水凝胶（作为参考）的拉伸曲线。（e）含有不同SNFs和g-C3N4的有机水凝胶的拉伸强度和应变，以及（f）韧性。
图4.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的结构表征。（a）导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的FTIR光谱（b）导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的XRD图。
图5.不同导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的SEM图像：（a）PVA，（b）PVA-CN，（c）PVA-0.05％SNF-CN，（d）PVA-0.1％SNF-CN，和（e-f）PVA-0.2％SNF-CN。
图6.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的抗冻、保湿性能和可加工性。（a）和（b）在25℃和-18℃下比较PVA-W、PVA和PVA-0.1％SNF-CN的耐冻性。（c）PVA-W、PVA和PVA-0.1％SNF-CN在25℃至-70℃下的DSC热分析图。冷却速率为10℃/min。（d）在37℃和60RH％下PVA-W和PVA-0.1％SNF-CN的重量变化。（e）照片显示了在37℃和60RH％下PVA-W和PVA-0.1％SNF-CN的保水率比较。（f）照片显示有机水凝胶从碎片到圆形物的可回收性。
图7.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶柔性应变传感器的导电性能。（a）ΔR/R0与应变的关系曲线。（b）不同拉伸应变下的相对电阻变化。PVA/SNF/CN有机水凝胶在（c）小应变（10％，15％和20％）和（d）大应变（30％，50％和100％）下的相对电阻变化。（e）15％应变下的响应时间。（f）有机水凝胶在0-15％应变下循环1000次的ΔR/R0。
图8.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶柔性应变传感器的长期使用情况。（a）每天循环5次，有机水凝胶应变传感器在0％-15％应变下的ΔR/R0。（b）0天，（c）5天，（d）10天，（e）15天，（f）20天。
图9.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶作为应变传感器的相对电阻变化，可检测各种人体运动：（a）手指以不同角度弯曲（0°，30°，60°，90°和45°），（b）指关节弯曲，（c）手腕弯曲，（d）肘关节弯曲，（e）膝关节弯曲，（f）吞咽，（g）皱眉，（h）微笑。
图10.PVA/SNF/CN有机水凝胶和导电PVA/SNF/CN有机水凝胶对（a）大肠杆菌和（b）金黄色葡萄球菌的抑菌作用。（i）空白样品；（ii）PVA/SNF/CN有机水凝胶；（iii）导电PVA/SNF/CN有机水凝胶。（c）有机水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率。
