离子导电水凝胶 (ICHs) 作为一种新型的柔性电子材料，因其可调节的机械柔性，在可穿戴电子器件领域具有广阔的应用前景。然而，传统的ICHs机械性能不足，导致由此制备的水凝胶基传感器存在检测范围窄，耐久性差，响应时间长等问题。因此，制备机械性能优异，环境稳定的ICHs对柔性电子领域的发展具有重要的意义。

近日，西安理工大学任鹏刚教授团队在期刊《Journal of Colloid And Interface Science》上，发表了最新研究成果“High-strength, anti-fatigue, cellulose nanofiber reinforced polyvinyl alcohol based ionic conductive hydrogels for flexible strain/pressure sensors and triboelectric nanogenerators”。 西安理工大学为第一署名单位，论文第一作者为印刷包装与数字媒体硕士生李延豪，通讯作者为任鹏刚教授、孙振锋博士。该研究通过简单环保的一锅循环冻融工艺，制备了一种具有双网络结构的聚乙烯醇@纤维素纳米纤维-氯化铁 (PVA@CNF-FeCl₃) 离子导电水凝胶并成功组装成了一种柔性可穿戴应变 / 压力传感器。

图1：PVA@CNF-FeCl3水凝胶的制备过程和形成机制示意图。

如图2所示，PVA@CNF-FeCl₃应变 / 压力传感器显示出高灵敏度 (在0-5 kPa的压力范围内应力灵敏度系数 (S) ＝ 5.326)、宽响应范围 (4511 kPa)、优异的耐久性 (超过3000个循环)、短响应时间 (83 ms) 和恢复时间 (117 ms)。

图2：PVA @ CNF-FeCl₃ -3水凝胶的应变 (a) 和应力 (b) 灵敏度曲线；PVA@CNF-FeCl₃水凝胶在不同应变 (c-d)，不同压缩速率 (e-f) 下的相对电流变化；(g) 水凝胶的响应和恢复时间；(h) 水凝胶在50%应变下3000次加载-卸载循环的相对电流响应。

基于PVA@CNF-FeCl₃水凝胶的传感器具有优异的力学性能、传感性能和良好的生物相容性，可作为一种可穿戴的柔性传感器检测人体的各种活动。如图3 (a-e) 所示，PVA@CNF-FeCl₃传感器对各种肢体运动（包括手指按压、手指弯曲、手腕弯曲、手臂弯曲和膝盖弯曲），表现出可重复和快速的响应。这些结果表明，水凝胶传感器在关节疾病诊断和运动行为监测方面具有潜在的应用前景。值得注意的是，对于相同的肢体运动，运动强度（压缩强度、弯曲程度）可以通过电流响应的幅值来判断。此外，该传感器可以灵敏地识别重物的装载-卸载 (图3 (f))，这证明它的检测极限很低。

图3：由手指按压 (a)、手指弯曲 (b)、手腕弯曲 (c)、手臂弯曲 (d)、膝盖弯曲 (e) 和重物的加载-卸载(1 g) (f) 引起的相对电流变化。

由于其检测微小应变的良好能力，PVA@CNF-FeCl₃水凝胶可以组装成触觉传感器。PVA@CNF-FeCl₃触觉传感器可以准确识别和记录在水凝胶上书写不同英文字母 (“A”、“B”、“X”、“U”和“T”) 产生的电信号(图4 (a-f))。此外，PVA@CNF-FeCl₃水凝胶可以组装成电容笔，通过平板电脑的计算器功能进行简单计算 (图4 (g))，在触摸屏上写字 (图4 (h))，甚至可以简单地画卡通人物 (图4 (i))。由于水凝胶独特的柔韧性，用作电容笔时不会损坏电子屏幕。这些应用表明PVA@CNF-FeCl₃水凝胶在机器人电子皮肤和人机交互领域具有巨大的潜力。

图4：在水凝胶上书写不同的英文字母“A” (a)、“B” (b)、“X” (c)、“U” (d)、“T” (e)和“XUT” (f)引起的相对电流变化；(g) 通过平板电脑的计算器功能进行简单计算；(h) 在触摸屏上书写单词；(i) 画卡通人物。

摩擦电纳米发电机作为一种绿色能源，在解决能源供应问题方面具有很大的优势。以PVA@CNF-FeCl₃水凝胶作为负摩擦层电极材料，PTFE作为正摩擦层，制备了单电极模式的PVA@CNF-FeCl₃ TENG (图5)。PVA@CNF-FeCl₃ TENG不仅可以为商用电容器和LED灯供电，还可以作为自供电传感器检测人体运动，在摩擦电纳米发电机领域显示出广阔的应用前景。

图5：(a) TENG在单电极模式下的工作机理图；(b) 不同压力下的输出电流；(c) 手掌拍打产生的输出电流；(d) TENG为商用电容器充电的电路示意图；(e) 不同频率的输出电流；(f) 手指按压产生的输出电流；(g) TENG照明LED灯的数码照片；(h) 0.5 Hz下1000多次接触分离循环产生的输出电流；(i) TENG商用电容器的充放电曲线。

该工作主要解决了因为水凝胶机械性能不足引起的检测范围窄，耐久性差，响应时间长等问题，为高性能柔性应变传感器的开发提供了一种可行的方案。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.05.011

人物简介：

任鹏刚，1972年5月生，致公党党员，三级教授，博士生导师。2005年7月毕业于西北工业大学，获理学院材料加工工程专业博士学位。

E-mail：rengpg@126.com。

研究方向：功能高分子复合材料、高阻隔材料。

学术及研究成果：在Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Science & Technology, Advced Functional Materials, Advanced Electronic Materials, Journal of Power Sources, Carbon, Journal of Colloid and Interface Science, Journal of Material Chemistry C, Cellulose, Composites Part A, Composites Part B和Materials Today Physics.等国内外重要期刊上发表相关论文200余篇，其中被SCI收录160余篇，EI收录40余篇，SCI引用4000余次。申请国家发明专利30余项，授权10余项。授权计算机软件著作权5项，获陕西省科学技术奖1项，陕西省高等学校科学技术奖2项。主持和完成国家自然科学基金面上项目4项，陕西省自然科学基金3项，西北工业大学凝固国家重点实验室、四川大学高分子材料科学国家重点实验室及其他纵横向项目20余项。