Angew. Chem. Int. Ed.：在零度下具有穩定的應變敏感性的抗凍、導電自愈油水凝膠

【引言】

導電水凝膠是一類可伸縮的導電材料，對于各種應用是重要的。然而，水性導電水凝膠在零下溫度下不可避免地會失去彈性和導電性，嚴重限制了其在低溫下的應用發展。本文通過使用H₂O /乙二醇二元溶劑作為分散介質，報道了一種抗凍導電油水凝膠。由于二元溶劑的冷凍耐受性，該種油水凝膠在-55.0~44.6℃的溫度范圍內表現出穩定的柔韌性和應變敏感性。同時，溶劑分子可與聚乙烯醇（PVA）鏈形成氫鍵，誘導PVA結晶，大大提高了油水凝膠的機械強度。此外，非共價交聯賦予了導電油水凝膠具有可重塑性和自愈能力，這對于實際應用非常重要。

【成果簡介】

可拉伸導電材料在未來各種領域的應用是不可或缺的，例如可拉伸板、柔性儲能裝置、電極、傳感器和可穿戴裝置。為了實現這些目標，關鍵問題是同時引入機械強度和電導率。導電水凝膠由于其優異的柔韌性，良好的電氣特性和可調諧的機械性能而具有一體化潛力。迄今為止，各領域的研究人員中已經廣泛研究了導電水凝膠，例如，應用于柔性超級電容器和傳感器中的導電聚合物水凝膠。然而，由純水系統組成的常規導電水凝膠在低溫下不可避免地會被凍結并失去導電能力，這嚴重限制了其在低溫下的實際應用。

近日，北京航空航天大學的劉明杰教授課題組在Angew.Chemie上發表了一篇關于抗凍、導電的自愈油水凝膠的文章，題為“Anti-freezing, conductive self-healing organohydrogels with stable strain-sensitivity at subzero temperatures”。該文章報道了使用抗凍二元溶劑體系獲得具有抗凍性的高強度導電油水凝膠。在防凍導電有機水凝膠中，二元溶劑可以有效防止油水凝膠在低溫下冷凍。由于其耐寒性，即使在-40℃的溫度下，這種導電油水凝膠也能表現出穩定的柔韌性和應變敏感性。結合冷凍耐受性、電導率和自愈能力，預計這種新型油水凝膠將激發研究人員設計柔性和可穿戴設備，能在在零下溫度下應用發展。

【圖文導讀】

圖1 防凍導電油水凝膠的組成和制備方法示意圖

a）防凍導電油水凝膠的制備和結構表征的示意圖。

b）防凍導電油水凝膠描繪其承受的能力的照片：i）拉伸；ii）打結拉伸； iii）壓縮。

圖2 防凍導電油水凝膠在低溫下的機械性能

a）在恒定剪切應變（γ）為0.1％和頻率（ω）為10 rad / s的溫度掃描下，防凍導電油水凝膠和導電水凝膠的儲存模量（G'）和損耗模量（G’’）。

b）防凍油水凝膠在-40℃顯示出的可逆壓縮和彎曲能力。

c）導電水凝膠變成冰狀固態，容易在-10℃破裂。

d）、e）具有各種質量比的H 2 O和EG的防凍導電有機水凝膠拉伸和壓縮應力-應變曲線。

圖3 -40℃時防凍導電油水凝膠的導電和應變敏感性能

a）（i）防凍導電油水凝膠可以在-40℃下作為導線加工；（ii）導電水凝膠在-10℃變成絕緣體。

b）當在-40 ℃拉伸至20％應變時，抗凍導電油水凝膠的相對電阻變化（ΔR/ R₀）。

c）20個循環后記錄的電阻變化曲線，-40℃下的應變為5％。

d）可佩戴傳感器在-40°C監測手指彎曲時的反應。

e）-40?25℃溫度范圍內的防凍導電油水凝膠的電阻率。

圖4 防凍導電油水凝膠的可重塑性和自愈能力

a）將防凍導電性油水凝膠片段在80℃下熔融并重塑，在80℃的溫度下注射并在-20℃下脫模得到“BUAA”凝膠。

b）油水凝膠可重塑性的照片：i）楓葉、ii）向日葵、iii）玫瑰、iv）五角星。

c）電路包括與LED指示器串聯的自愈抗凍導電油水凝膠：未損壞、完全分叉、電愈合、愈合后拉伸。

d）、e）原始和愈合的防凍導電油水凝膠的壓縮/拉伸應力-應變曲線。

【小結】

本研究報道了由PVA網絡、導電聚合物PEDOT：PSS和H2O/EG溶劑組成的抗凍導電油水凝膠。負責產生氫鍵和致密結晶疇的EG使得材料具有高的機械強度。值得注意的是，由于H₂O / EG二元溶液的抗凍性能，即使在低至-40℃的溫度下，導電油水凝膠也具有穩定的柔韌性和應變敏感性能。此外，氫鍵和結晶區的物理交聯導致防凍導電油水凝膠為熱塑性和自愈性，并具有可重塑性和可重復使用性。結合上述所有性質，導電油水凝膠可以在諸如柔性電極、傳感器、能量存儲裝置和可穿戴裝置等各種領域中，在零下溫度下應用。

文獻鏈接：Anti-freezing, conductive self-healing organohydrogels with stable strain-sensitivity at subzero temperatures（Angew.Chemie，2017，DOI: 10.1002/anie.201708614）

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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