近日，杭州電(dian)子科技(ji)大學(xué)電子信息(xi)學(xué)院研究人(ren)員在國(guó)際(ji)期刊《Microchemical Journal》（中(zhong)科院二區(qū)，影(ying)響因子IF=4.9）發(fā)(fa)表了題為(wei)"A PVDF-based organohydrogel for self-powered and anti-freezing sensor in electronic skin"的研究性論(lun)文。在該(gai)論文中，研究(jiu)人員(yuan)利用上海騰(teng)拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀用(yong)于測(cè)(ce)定有機(jī)(ji)水凝(ning)膠的機(jī)械性(xing)能和抗疲勞(lao)性能等指(zhi)標(biāo)。

自供電(dian)壓電(dian)傳感器能夠(gou)有效解決(jue)電子皮(pi)膚的供(gong)電問(wèn)題。然而，制(zhi)造出模量(liang)與人類皮膚相(xiang)似的柔性(xing)傳感器仍然(ran)頗具挑戰(zhàn)性(xing)。本文報(bào)(bao)道了一種(zhong)基于聚偏氟(fu)乙烯(xi)（PVDF）的有機(jī)水凝膠(jiao)作為電子皮(pi)膚用壓電傳感(gan)器。聚乙烯醇（PVA）構(gòu)(gou)成主要網(wǎng)絡(luò)，促(cu)進(jìn)了 PVDF 中電活(huo)性 β 相的形成(cheng)，并確保了有(you)機(jī)水凝膠傳感(gan)器的(de)壓電性能。聚(ju)丙烯酸（PA）通過(guò)(guo)與 PVA 形成氫(qing)鍵來(lái)增強(qiáng)交(jiao)聯(lián)密度和(he)機(jī)械(xie)性能，同時(shí)還充(chong)當(dāng)膠凝劑以減(jian)少 PVA 結(jié)(jie)晶。此外，有機(jī)(ji)溶劑二甲基(ji)亞砜（DMSO）被(bei)引入，為傳感器(qi)賦予抗(kang)凍性能。該有(you)機(jī)水凝膠在(zai) 100 次壓縮加載 — 卸(xie)載循(xun)環(huán)后展(zhan)現(xiàn)出優(yōu)(you)異的抗疲勞性(xing)能。而且，有機(jī)水(shui)凝膠壓電(dian)傳感器(qi)有著令(ling)人矚目的約(yue) 8 毫秒的響(xiang)應(yīng)時(shí)間以及(ji) 0-30N的寬壓力(li)范圍(wei)。再者(zhe)，該壓電有機(jī)水(shui)凝膠表現(xiàn)出出(chu)色的(de)抗凍性能(neng)，即便在(zai)低溫下冷(leng)凍 10 天之后仍能(neng)保留其機(jī)(ji)械和壓(ya)電特性(xing)?；?PVDF 的有(you)機(jī)水凝膠(jiao)已被證實(shí)，在無(wú)(wu)需外部(bu)電源的情(qing)況下(xia)，對(duì)于人(ren)體運(yùn)動(dòng)檢(jian)測(cè)有(you)著重大(da)的應(yīng)用潛(qian)力。

機(jī)械性能對(duì)(dui)于壓電有機(jī)水(shui)凝膠作為傳感(gan)器在電子皮膚(fu)中的(de)應(yīng)用尤為(wei)重要。為(wei)了研究聚(ju)丙烯酸(suan)（PA）對(duì)有機(jī)水(shui)凝膠機(jī)(ji)械性能的影響(xiang)，我們對(duì)含有不(bu)同聚丙(bing)烯酸含量的有(you)機(jī)水凝(ning)膠的彈性性(xing)能進(jìn)行了測(cè)(ce)試。在應(yīng)力(li)-應(yīng)變曲線圖中(zhong)可以(yi)觀察到，PVA- PVDF_1.8 - PA_0.2 有機(jī)(ji)水凝(ning)膠表現(xiàn)出較(jiao)低的抗(kang)壓能(neng)力，在受到(dao) 45% 的壓縮應(yīng)變(bian)時(shí)就會(huì)發(fā)生(sheng)破裂。相比之下(xia)，PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 展現(xiàn)出了更(geng)強(qiáng)的機(jī)(ji)械性能，因(yin)為它(ta)能夠(gou)承受高達(dá)(da) 0.17 Mpa的應(yīng)力而(er)不會(huì)破裂(lie)。隨著PA含(han)量從 0.2 增加到(dao) 0.5，有機(jī)水(shui)凝膠的(de)壓縮強(qiáng)(qiang)度和模量(liang)也隨之(zhi)增加。這種性(xing)能的改善(shan)歸因于(yu)PA中羥基(ji)所促成(cheng)的眾多氫鍵(jian)，這些(xie)羥基會(huì)與PVA中的(de)羥基發(fā)生(sheng)物理交聯(lián)(lian)。這些增強(qiáng)(qiang)的分子間相互(hu)作用(yong)顯著地改善了(le)PVA- PVDF_X - PA_Y 型有(you)機(jī)水凝膠的機(jī)(ji)械性能。與(yu)PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 相比，PVA- PVDF_1.8 - PA_0.8 的抗壓強(qiáng)度有(you)所下降(jiang)，這表明隨著PA含(han)量進(jìn)(jin)一步增加，有(you)機(jī)水(shui)凝膠的機(jī)械(xie)性能出現(xiàn)了(le)下滑。隨著PA過(guò)量(liang)增加，更多(duo)的氫鍵形成(cheng)，這會(huì)減少PVA內(nèi)(nei)部分子間(jian)的氫鍵，進(jìn)(jin)而導(dǎo)致有機(jī)(ji)水凝膠的網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)變得疏(shu)松。為了進(jìn)(jin)一步(bu)探究有機(jī)水(shui)凝膠(jiao)的機(jī)械耐久(jiu)性，我們對(duì)在應(yīng)(ying)力測(cè)試中(zhong)表現(xiàn)最(zui)佳的PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 有機(jī)(ji)水凝膠(jiao)進(jìn)行了(le)循環(huán)加載 — 卸(xie)載測(cè)試。PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 有機(jī)水(shui)凝膠(jiao)的機(jī)械穩(wěn)(wen)定性(xing)和抗疲(pi)勞性能(neng)十分(fen)出色，這從其(qi)經(jīng)過(guò) 100 次循環(huán)(huan)后仍保持一(yi)致的曲線(xian)（疲勞(lao)測(cè)試(shi)）便可得到(dao)證明。在(zai) 50% 的壓縮應(yīng)變(bian)下，該有機(jī)水凝(ning)膠的應(yīng)力(li)曲線(xian)在經(jīng)過(guò)(guo) 100 次壓縮加載(zai) — 卸載循環(huán)(huan)后僅(jin)顯示出(chu)微小的滯后(hou)現(xiàn)象。