【摘要】
同時具有高機械強度/模量和超高穩定導電性的可拉伸導電水凝膠是軟機器人、人造皮膚和生物電子學應用的理想選擇，但迄今為止，它們的製造仍然非常具有挑戰性。最近，基於芳綸納米纖維（ANFs）增强聚乙烯醇（PVA）水凝膠層和一層銀納米線（AgNWs）/PVA的夾心結構混合水凝膠是通過靜電紡絲結合真空輔助過濾製造的。
混合ANF-PVA水凝膠表現出優异的機械效能，拉伸模量為10.7-15.4 MPa，拉伸强度為3.3-5.5 MPa，斷裂能高達5.7 kJ m-2，這主要歸因於PVA和PVA之間的强氫鍵相互作用。ANFs和纖維結構的平面排列。異質結構的合理設計使水凝膠具有1.66×104S m-1的超高錶觀電導率，是迄今為止導電水凝膠報導的最高電導率之一。更重要的是，這種超高電導率在0-90%的廣泛應用應變和超過500次拉伸迴圈時保持不變。此外，由於超高的電導率，水凝膠表現出優异的焦耳熱和電磁干擾遮罩效能。這些具有超高和應變不變電導率的機械強度混合水凝膠代表了許多重要應用（例如柔性電子產品）的巨大希望。相關論文以題為Mechanically Strong and Multifunctional Hybrid Hydrogels with Ultrahigh Electrical Conductivity發表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者是東華大學葉長懷教授，和朱美芳院士。
【主圖導讀】
圖1a）ANF增强PVA水凝膠和具有夾層結構的導電混合水凝膠的製造過程示意圖。b）ANF增强PVA水凝膠中分子相互作用的示意圖。c，d）通過靜電紡絲製造的ANF-PVA纖維墊的照片和SEM顯微照片；e，f）在ANF-PVA纖維墊上通過真空輔助過濾AgNWs/PVA製備的導電混合水凝膠；g，h）夾心結構的導電水凝膠。
圖2a）拉伸應力-應變曲線；b）拉伸强度、彈性模量；c）具有不同ANF含量的ANF增强PVA水凝膠以及具有0.23 vol% AgNW的夾心結構ANF 1.96%-PVA/AgNWs混合水凝膠的斷裂伸長率和斷裂能。
圖3a）PVA和ANF-PVA水凝膠的結晶度。b）具有不同ANF含量的ANF-PVA水凝膠的一維散射强度分佈曲線和c）歸一化的一維電子密度相關曲線。d）不同ANF含量的ANF-PVA水凝膠的平均晶片厚度、晶片之間的長間距和晶片厚度的多分散性。
圖4a）不同ANF含量的PVA、ANF和ANF-PVA水凝膠的FTIR光譜；b）O-H和c）C-O的拉伸變化。d）複數粘度，e）儲能模量，和f）PVA和ANF-PVA溶液的損耗模量。
圖5a）薄層電阻和b）具有不同AgNWs含量的導電ANF-PVA/AgNWs水凝膠的錶觀電導率。c）AgNWs體積分數為0.23%的ANF-PVA/AgNWs水凝膠的抗拉伸應變；d）相對於拉伸-恢復迴圈的電阻變化，拉伸應變設定為15%。e）阻力變化與折疊恢復週期的關係，折疊角度設定為180°。f）水凝膠的拉伸强度和電導率的比較。g）導電ANF-PVA/AgNWs水凝膠在拉伸、彎曲和扭曲下作為電路導體的照片。h）在混合水凝膠拉伸之前和之後，網狀導電AgNWs網絡和通過導電網絡的電子傳輸路徑的示意圖。
圖6a）不同電壓驅動的ANF-PVA/AgNWs水凝膠的焦耳熱效能。分別使用b）0、c）1和d）1.5 V的低供電電壓加熱水凝膠的紅外照片；e）ANF-PVA/AgNWs水凝膠作為電致變色資料的演示應用。水凝膠中的AgNWs含量為0.23 vol%。
圖7a）X波段的EMI遮罩效能；b）ANF-PVA/AgNWs水凝膠的SET、SER和SEA值的比較。c）導電ANF-PVA/AgNWs水凝膠用於無線模塊EMI遮罩的示例應用。
【總結】
團隊開發了一種新策略，通過靜電紡絲結合真空輔助過濾ANF-PVA纖維墊上的薄AgNWs/PVA層來製造夾心結構的導電ANFs增强的PVA混合水凝膠。電紡ANF-PVA混合水凝膠表現出極高的拉伸强度、模量和韌性。高機械效能被證明歸因於PVA和ANFs分子鏈之間的强氫鍵相互作用、改進的晶體結構以及面內對齊的納米纖維結構。通過改變AgNWs含量，混合水凝膠的電導率從470調整到1.66×104S m-1，並對複雜變形表現出極高的穩定性。基於高且應變不變的導電性，可拉伸電致變色水凝膠通過由<1.5 V的低電壓驅動的焦耳加熱製成。高導電性水凝膠還表現出優异的EMI遮罩效能，在EMI SE達到52 dB AgNWs含量低。團隊相信這項工作代表了一種製造具有高機械效能和超高導電性的可拉伸水凝膠的新策略，具有將水凝膠應用擴展到柔性生物電子和軟機器人的巨大潜力。
參考文獻：
doi.org/10.1002/adfm.202104536
原文刊載於【高分子材料科學】公眾號
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