謝燕楠、趙進、何青松Nano Energy：基于聚氯乙烯的離子凝膠構建高性能可穿戴應變傳感器

01、導讀

柔性電子器件的普及推動了可穿戴材料的快速發展，后者在包括生理監測、運動分析、人機交互等多領域有著十足的研究潛力。構建可穿戴設備的核心在于柔性傳感材料的設計，通常要求其要有優異的電學、機械性能，此外，還應具有出色的生物相容性和穩定性。在該領域，水凝膠作為一種柔性三維聚合物網絡材料，其可以制備出優異的可穿戴設備，應用于醫學以及運動學等多領域。然而，水凝膠的性能受到水分蒸發的影響，為了解決這些缺陷，研究人員通過制備有機水凝膠、在凝膠表面涂覆彈性體以及引入吸濕性物質來防止水分蒸發。然而，彈性體涂層與凝膠之間的模量不匹配會限制凝膠的力學性能，吸濕材料只能減少水分蒸發，而不能完全消除水分蒸發。幸運的是，有機水凝膠和有機離子凝膠是解決這些問題的極好方法。

有機離子凝膠是一種被離子液體膨脹的聚合物網絡材料，它們具有高穩定性、不揮發性和優異的電氣和機械性能。高線性度和高重復性一直是有機離子凝膠傳感器的追求，但很少有報道。目前，已有報道的方法的線性誤差大于1%，重復性僅為10000次或更少，因此獲得高線性和高重復性的有機離子凝膠仍然是一個挑戰。

02、成果掠影

在此，南京航空航天大學何青松研究員團隊聯合南京郵電大學趙進教授、謝燕楠教授團隊開發了一種新型的基于聚氟乙烯（PVC）的離子凝膠，它具有高的機械穩健性、線性性、拉伸性和可重復性，可用于開發可穿戴應變傳感器。所研制的離子凝膠以聚氯乙烯(PVC)凝膠為彈性體基質，離子液體(IL) 1-乙基-3-甲基咪唑硫氰酸鹽為介電介質，己二酸二丁酯(DBA)為增塑劑。PVC有機離子凝膠具有良好的物理化學穩定性，在?30 ~ 127?C范圍內無相變，最大拉伸應變為424%。它的形狀和尺寸在空氣中保持60天不變，在空氣中暴露一年多后仍保持傳感性能。其中，DBA和IL含量適中(DBA 7, IL 3%)的PVC有機離子凝膠性能最佳，線性度最佳，相對誤差僅為0.96%，靈敏度為1.90，模量為17.71 kPa，響應時間為161 ms，可連續穩定運行35000次。研究人員利用場發射掃描電鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、差示掃描量熱法(DSC)和熱重分析(TGA)對PVC有機離子凝膠進行了表征，揭示了新型離子凝膠的應變傳感機理。進一步研究了制備的PVC有機離子凝膠的電學和機械性能以及應變傳感器的性能，證實了離子凝膠可以精確檢測微小運動，特別是在喉嚨，手指和手臂中。隨后，研究人員開發了自主研發的無線傳感信號采集與測試系統，通過手機APP記錄和顯示動作信號，為傳感設備的商業化提供了良好的前景。這項工作為設計高拉伸性和穩定性的柔性傳感材料提供了新的解決方案，也為記錄特殊運動形式的肢體信息提供了新的平臺。

相關研究成果以“Highly stretchable, repeatable, and easy-to-prepare ionogel based on polyvinyl chloride for wearable strain sensors”為題發表在國際著名期刊Nano Energy上。

03、核心創新點

1、該研究采用簡單的物理共混方法，開發了一種柔性傳感材料，以滿足高彈性、好穩定性和高重復性的要求。

2、該研究制備的PVC有機離子凝膠具有出色的電學和機械性能以及應變傳感器的性能，可以精確檢測人體微小運動，特別是在喉嚨，手指和手臂中。

2、該研究開發了自主研發的無線傳感信號采集與測試系統，通過手機APP記錄和顯示動作信號，為傳感設備的商業化提供了良好的前景。

04、數據概覽

圖1 聚氯乙烯有機離子凝膠的設計、制備和表征。(a) PVC有機離子凝膠的組成，以及PVC、DBA和IL的結構示意圖和相互作用圖。(b) PVC凝膠和PVC有機離子凝膠的微觀形貌。(c) PVC、IL、DBA、PVC凝膠和PVC有機離子凝膠的傅里葉紅外光譜分析。(d) PVC有機離子凝膠的差示掃描量熱法(DSC)和(e)熱重分析(TGA)。? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖2 PVC有機離子凝膠的傳感機理。(a) PVC有機離子凝膠(DBA 7, IL 15%)電導率的驗證。(b)聚氯乙烯有機離子凝膠(IL≥6%)的傳感機理示意圖。? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖3 聚氯乙烯有機離子凝膠的電學和電化學表征。(a)、(b)PVC有機離子凝膠的線性特性和靈敏度特性。(c)不同IL含量，(d)不同拉伸應變下PVC有機離子凝膠的動態拉伸性能。(e) PVC有機離子凝膠的滯回特性。(f) PVC有機離子凝膠的響應時間和分辨能力。(g) PVC有機離子凝膠經過35000次循環測試后的穩定性。(h)電化學電阻奈奎斯特圖和(i) PVC有機離子凝膠的電導率。? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖4 PVC有機離子凝膠的力學性能。(a)打結、扭轉、穿刺和抗剪試驗。(b)吊、拉載荷。(c) PVC有機-離子凝膠應力-應變曲線。(d) PVC有機離子凝膠的楊氏模量。(e) PVC有機離子凝膠的韌性。(f)殘余應變比和恢復速率。(g)凝膠在21次循環中的拉伸和(h)壓縮力學重復性試驗。? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖5 PVC有機離子凝膠的穩定性。(a)暴露在空氣中60天。(b)溫度對PVC有機離子凝膠輸出特性的影響。PVC有機離子凝膠在可穿戴設備傳感器中的應用。(c)可穿戴無線傳感信號采集與測試系統。(d)偵測細微動作。(e)偵查日常活動。(f)監測和記錄中國傳統功夫太極動作。? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

05、成果啟示

綜上所述，該研究系統地表征了一種高度可拉伸、可重復、易于制備的PVC有機離子凝膠用于傳感，并開發了一種用于無線傳輸的便攜式可穿戴設備。研究采用物理共混法制備了以聚氯乙烯凝膠為彈性體基質，以離子液體為介電介質的聚氯乙烯有機離子凝膠，其具有良好的物理化學穩定性。在不同的離子凝膠中，DBA和IL含量適中(DBA 7, IL 3%)的PVC有機離子凝膠表現出最好的性能，相對誤差為0.96%，穩定靈敏度為1.90，連續穩定運行35000次，快速響應時間為161 ms。在空氣中暴露60天后，PVC有機離子凝膠的形狀和尺寸保持不變，在空氣中暴露一年多后，傳感性能仍保持不變。此外，內部可穿戴設備使用無線傳輸的信號采集和測試系統，使PVC有機離子凝膠能夠檢測全方位的人體運動，即手指彎曲，喉嚨振動，肌肉收縮，日常運動和特殊肢體運動，如太極拳。研究結果表明，該工作為可變參數柔性傳感材料的設計提供了新的途徑，PVC有機離子凝膠在人機交互、可穿戴設備、運動相關風險監測和拳擊運動優化等方面具有巨大的潛力。

文獻鏈接：Highly stretchable, repeatable, and easy-to-prepare ionogel based on polyvinyl chloride for wearable strain sensors，2023，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108535）

本文由LWB供稿。