汤龙程团队：耐高低温、自粘接、导电MXene水凝胶材料及其应变传感器应用探索

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近日，我院汤龙程研究员团队及其合作者浙江农林大学厉世能博士在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Environmentally stable, mechanically flexible, self-adhesive, and electrically conductive Ti3C2Tx MXene hydrogels for wide-temperature strain sensing”的文章（2021, 90, 106502；IF=17.881）。

        导电水凝胶具有优异的力学延展性和高导电性，在柔性可穿戴电子、仿生设备等领域已展现出巨大的潜在应用前景。通常，用于应变传感的水凝胶材料仍需满足以下基本要求：（i） 提供对应变变化的快速、可靠的实时信号响应（高稳定导电率），（ii）在各种条件下（例如，寒冷或炎热的环境下结冰或脱水现象）的可靠性，（iii）能够在外力变形期间保持材料的结构稳定性，即优异的力学性能，（iv）与不同基材具有很强的粘合性，无需额外的粘合剂。然而，目前多数导电水凝胶体系仍存在一些缺点，包括结构稳定性差（机械强度和柔韧性低）、含水量高（抗冻性和抗脱水性差）、与基材的自粘性弱，这些因素极大地限制了该类水凝胶材料在复杂环境条件下的潜在应变监测应用。因此，通过一种简单的策略，开发宽温域适用、力学可靠、自粘性且导电的水凝胶材料势在必行。
        针对上述问题，本文报道了通过简单的一锅自由基聚合和引入低含量（0.1–0.3 wt%）Ti3C2Tx-MXene纳米片，以水-甘油为混合溶剂制备出耐高低温、力学弹性、自粘附MXene/聚丙烯酰胺/丙烯酸/壳聚糖导电水凝胶（PACG-M）。研究发现：利用一步自由基聚合反应在水-甘油二元溶剂体系中形成聚丙烯酰胺-Co-丙烯酸/壳聚糖双网络结构，同时借助MXene（0.2wt%）的自由基诱导效应，在室温下即可实现快速凝胶化得到PACG-M水凝胶（低含量（0.1–0.3 wt%）MXene可以显著促进聚合物分子的快速凝胶化（10分钟实现凝胶，如下图）。该水凝胶具有优异的力学弹性（～1000%的拉伸伸长率）和高导电性（~1.34 S/m），能够在较宽的应变（1–600%）和应力（80–3200 Pa）范围内都表现出良好的电阻灵敏响应，适用于拉伸/弯曲/压缩等各种力学形变模式，且具有良好的宽温度适应性与稳定性，这对发展宽温域应变传感的设计和检测应用具有重要的指导意义。
研究结果显示：该PACG-M水凝胶具有良好的自修复性，在无外加作用下切断后的水凝胶材料能在较短时间内（~1.3秒）实现自修复，其导电率能基本恢复至初始状态。更为重要的是，该PACG-M水凝胶能与多种基材（如钢、玻璃、橡胶、塑料和皮肤）展现出出色的粘附性，且高低温处理后依然具有良好的自粘附性。此外，该PACG-M水凝胶海具有良好的耐温性能（即抗冻和耐高温性）：在经历低温（-20 oC）或高温（80oC）长时间（15天）处理后，材料依然能保持优异的力学弹性，克服了传统水凝胶的结冰和脱水现象，在复杂形变（如人体的肢体运动）也具有良好的响应并保持稳定的循环性能，为该导电水凝胶在高低温复杂环境下的长期使用提供了可能。
         课题组硕士研究生喻志冉和郭必泛为文章共同一作，厉世能博士和汤龙程研究员为文章的通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和杭州市科技计划项目等的联合资助。
         文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106502


         文章来源：杭州师范大学
        汤龙程，男，1980年2月生，研究员，硕士生导师。2011年7月加入杭州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验室，主要从事聚合物基纳米复合材料的基础理论研究和应用研究。已在Carbon，Journal of Materials Chemistry A，Composites Science and Technology，Composites Part A，Polymer等杂志上发表学术论文20余篇，先后主持和参与了国家自然科学基金、浙江省重大科技专项、浙江省省级重点企业研究院青年科学家培养计划项目、浙江省自然科学基金，浙江省教育厅科研项目和企业合作项目等近10多项；已申请国际专利和中国专利8项，其中已授权2项；部分研究成果与合作企业实现了技术转化，并于2013年入选“浙江省青年科学家培养计划”第一批签约人选；2014年度入选浙江省151人才工程培养人员（第三层次）。