Angew. Chem. Int. Ed.：在零度下具有稳定的应变敏感性的抗冻、导电自愈油水凝胶

【引言】

导电水凝胶是一类可伸缩的导电材料，对于各种应用是重要的。然而，水性导电水凝胶在零下温度下不可避免地会失去弹性和导电性，严重限制了其在低温下的应用发展。本文通过使用H₂O /乙二醇二元溶剂作为分散介质，报道了一种抗冻导电油水凝胶。由于二元溶剂的冷冻耐受性，该种油水凝胶在-55.0~44.6℃的温度范围内表现出稳定的柔韧性和应变敏感性。同时，溶剂分子可与聚乙烯醇（PVA）链形成氢键，诱导PVA结晶，大大提高了油水凝胶的机械强度。此外，非共价交联赋予了导电油水凝胶具有可重塑性和自愈能力，这对于实际应用非常重要。

【成果简介】

可拉伸导电材料在未来各种领域的应用是不可或缺的，例如可拉伸板、柔性储能装置、电极、传感器和可穿戴装置。为了实现这些目标，关键问题是同时引入机械强度和电导率。导电水凝胶由于其优异的柔韧性，良好的电气特性和可调谐的机械性能而具有一体化潜力。迄今为止，各领域的研究人员中已经广泛研究了导电水凝胶，例如，应用于柔性超级电容器和传感器中的导电聚合物水凝胶。然而，由纯水系统组成的常规导电水凝胶在低温下不可避免地会被冻结并失去导电能力，这严重限制了其在低温下的实际应用。

近日，北京航空航天大学的刘明杰教授课题组在Angew.Chemie上发表了一篇关于抗冻、导电的自愈油水凝胶的文章，题为“Anti-freezing, conductive self-healing organohydrogels with stable strain-sensitivity at subzero temperatures”。该文章报道了使用抗冻二元溶剂体系获得具有抗冻性的高强度导电油水凝胶。在防冻导电有机水凝胶中，二元溶剂可以有效防止油水凝胶在低温下冷冻。由于其耐寒性，即使在-40℃的温度下，这种导电油水凝胶也能表现出稳定的柔韧性和应变敏感性。结合冷冻耐受性、电导率和自愈能力，预计这种新型油水凝胶将激发研究人员设计柔性和可穿戴设备，能在在零下温度下应用发展。

【图文导读】

图1 防冻导电油水凝胶的组成和制备方法示意图

a）防冻导电油水凝胶的制备和结构表征的示意图。

b）防冻导电油水凝胶描绘其承受的能力的照片：i）拉伸；ii）打结拉伸； iii）压缩。

图2 防冻导电油水凝胶在低温下的机械性能

a）在恒定剪切应变（γ）为0.1％和频率（ω）为10 rad / s的温度扫描下，防冻导电油水凝胶和导电水凝胶的储存模量（G'）和损耗模量（G’’）。

b）防冻油水凝胶在-40℃显示出的可逆压缩和弯曲能力。

c）导电水凝胶变成冰状固态，容易在-10℃破裂。

d）、e）具有各种质量比的H 2 O和EG的防冻导电有机水凝胶拉伸和压缩应力-应变曲线。

图3 -40℃时防冻导电油水凝胶的导电和应变敏感性能

a）（i）防冻导电油水凝胶可以在-40℃下作为导线加工；（ii）导电水凝胶在-10℃变成绝缘体。

b）当在-40 ℃拉伸至20％应变时，抗冻导电油水凝胶的相对电阻变化（ΔR/ R₀）。

c）20个循环后记录的电阻变化曲线，-40℃下的应变为5％。

d）可佩戴传感器在-40°C监测手指弯曲时的反应。

e）-40〜25℃温度范围内的防冻导电油水凝胶的电阻率。

图4 防冻导电油水凝胶的可重塑性和自愈能力

a）将防冻导电性油水凝胶片段在80℃下熔融并重塑，在80℃的温度下注射并在-20℃下脱模得到“BUAA”凝胶。

b）油水凝胶可重塑性的照片：i）枫叶、ii）向日葵、iii）玫瑰、iv）五角星。

c）电路包括与LED指示器串联的自愈抗冻导电油水凝胶：未损坏、完全分叉、电愈合、愈合后拉伸。

d）、e）原始和愈合的防冻导电油水凝胶的压缩/拉伸应力-应变曲线。

【小结】

本研究报道了由PVA网络、导电聚合物PEDOT：PSS和H2O/EG溶剂组成的抗冻导电油水凝胶。负责产生氢键和致密结晶畴的EG使得材料具有高的机械强度。值得注意的是，由于H₂O / EG二元溶液的抗冻性能，即使在低至-40℃的温度下，导电油水凝胶也具有稳定的柔韧性和应变敏感性能。此外，氢键和结晶区的物理交联导致防冻导电油水凝胶为热塑性和自愈性，并具有可重塑性和可重复使用性。结合上述所有性质，导电油水凝胶可以在诸如柔性电极、传感器、能量存储装置和可穿戴装置等各种领域中，在零下温度下应用。

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

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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