谢燕楠、赵进、何青松Nano Energy：基于聚氯乙烯的离子凝胶构建高性能可穿戴应变传感器

01、导读

柔性电子器件的普及推动了可穿戴材料的快速发展，后者在包括生理监测、运动分析、人机交互等多领域有着十足的研究潜力。构建可穿戴设备的核心在于柔性传感材料的设计，通常要求其要有优异的电学、机械性能，此外，还应具有出色的生物相容性和稳定性。在该领域，水凝胶作为一种柔性三维聚合物网络材料，其可以制备出优异的可穿戴设备，应用于医学以及运动学等多领域。然而，水凝胶的性能受到水分蒸发的影响，为了解决这些缺陷，研究人员通过制备有机水凝胶、在凝胶表面涂覆弹性体以及引入吸湿性物质来防止水分蒸发。然而，弹性体涂层与凝胶之间的模量不匹配会限制凝胶的力学性能，吸湿材料只能减少水分蒸发，而不能完全消除水分蒸发。幸运的是，有机水凝胶和有机离子凝胶是解决这些问题的极好方法。

有机离子凝胶是一种被离子液体膨胀的聚合物网络材料，它们具有高稳定性、不挥发性和优异的电气和机械性能。高线性度和高重复性一直是有机离子凝胶传感器的追求，但很少有报道。目前，已有报道的方法的线性误差大于1%，重复性仅为10000次或更少，因此获得高线性和高重复性的有机离子凝胶仍然是一个挑战。

02、成果掠影

在此，南京航空航天大学何青松研究员团队联合南京邮电大学赵进教授、谢燕楠教授团队开发了一种新型的基于聚氟乙烯（PVC）的离子凝胶，它具有高的机械稳健性、线性性、拉伸性和可重复性，可用于开发可穿戴应变传感器。所研制的离子凝胶以聚氯乙烯(PVC)凝胶为弹性体基质，离子液体(IL) 1-乙基-3-甲基咪唑硫氰酸盐为介电介质，己二酸二丁酯(DBA)为增塑剂。PVC有机离子凝胶具有良好的物理化学稳定性，在−30 ~ 127◦C范围内无相变，最大拉伸应变为424%。它的形状和尺寸在空气中保持60天不变，在空气中暴露一年多后仍保持传感性能。其中，DBA和IL含量适中(DBA 7, IL 3%)的PVC有机离子凝胶性能最佳，线性度最佳，相对误差仅为0.96%，灵敏度为1.90，模量为17.71 kPa，响应时间为161 ms，可连续稳定运行35000次。研究人员利用场发射扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)对PVC有机离子凝胶进行了表征，揭示了新型离子凝胶的应变传感机理。进一步研究了制备的PVC有机离子凝胶的电学和机械性能以及应变传感器的性能，证实了离子凝胶可以精确检测微小运动，特别是在喉咙，手指和手臂中。随后，研究人员开发了自主研发的无线传感信号采集与测试系统，通过手机APP记录和显示动作信号，为传感设备的商业化提供了良好的前景。这项工作为设计高拉伸性和稳定性的柔性传感材料提供了新的解决方案，也为记录特殊运动形式的肢体信息提供了新的平台。

相关研究成果以“Highly stretchable, repeatable, and easy-to-prepare ionogel based on polyvinyl chloride for wearable strain sensors”为题发表在国际著名期刊Nano Energy上。

03、核心创新点

1、该研究采用简单的物理共混方法，开发了一种柔性传感材料，以满足高弹性、好稳定性和高重复性的要求。

2、该研究制备的PVC有机离子凝胶具有出色的电学和机械性能以及应变传感器的性能，可以精确检测人体微小运动，特别是在喉咙，手指和手臂中。

2、该研究开发了自主研发的无线传感信号采集与测试系统，通过手机APP记录和显示动作信号，为传感设备的商业化提供了良好的前景。

04、数据概览

图1 聚氯乙烯有机离子凝胶的设计、制备和表征。(a) PVC有机离子凝胶的组成，以及PVC、DBA和IL的结构示意图和相互作用图。(b) PVC凝胶和PVC有机离子凝胶的微观形貌。(c) PVC、IL、DBA、PVC凝胶和PVC有机离子凝胶的傅里叶红外光谱分析。(d) PVC有机离子凝胶的差示扫描量热法(DSC)和(e)热重分析(TGA)。© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图2 PVC有机离子凝胶的传感机理。(a) PVC有机离子凝胶(DBA 7, IL 15%)电导率的验证。(b)聚氯乙烯有机离子凝胶(IL≥6%)的传感机理示意图。© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图3 聚氯乙烯有机离子凝胶的电学和电化学表征。(a)、(b)PVC有机离子凝胶的线性特性和灵敏度特性。(c)不同IL含量，(d)不同拉伸应变下PVC有机离子凝胶的动态拉伸性能。(e) PVC有机离子凝胶的滞回特性。(f) PVC有机离子凝胶的响应时间和分辨能力。(g) PVC有机离子凝胶经过35000次循环测试后的稳定性。(h)电化学电阻奈奎斯特图和(i) PVC有机离子凝胶的电导率。© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图4 PVC有机离子凝胶的力学性能。(a)打结、扭转、穿刺和抗剪试验。(b)吊、拉载荷。(c) PVC有机-离子凝胶应力-应变曲线。(d) PVC有机离子凝胶的杨氏模量。(e) PVC有机离子凝胶的韧性。(f)残余应变比和恢复速率。(g)凝胶在21次循环中的拉伸和(h)压缩力学重复性试验。© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图5 PVC有机离子凝胶的稳定性。(a)暴露在空气中60天。(b)温度对PVC有机离子凝胶输出特性的影响。PVC有机离子凝胶在可穿戴设备传感器中的应用。(c)可穿戴无线传感信号采集与测试系统。(d)侦测细微动作。(e)侦查日常活动。(f)监测和记录中国传统功夫太极动作。© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

05、成果启示

综上所述，该研究系统地表征了一种高度可拉伸、可重复、易于制备的PVC有机离子凝胶用于传感，并开发了一种用于无线传输的便携式可穿戴设备。研究采用物理共混法制备了以聚氯乙烯凝胶为弹性体基质，以离子液体为介电介质的聚氯乙烯有机离子凝胶，其具有良好的物理化学稳定性。在不同的离子凝胶中，DBA和IL含量适中(DBA 7, IL 3%)的PVC有机离子凝胶表现出最好的性能，相对误差为0.96%，稳定灵敏度为1.90，连续稳定运行35000次，快速响应时间为161 ms。在空气中暴露60天后，PVC有机离子凝胶的形状和尺寸保持不变，在空气中暴露一年多后，传感性能仍保持不变。此外，内部可穿戴设备使用无线传输的信号采集和测试系统，使PVC有机离子凝胶能够检测全方位的人体运动，即手指弯曲，喉咙振动，肌肉收缩，日常运动和特殊肢体运动，如太极拳。研究结果表明，该工作为可变参数柔性传感材料的设计提供了新的途径，PVC有机离子凝胶在人机交互、可穿戴设备、运动相关风险监测和拳击运动优化等方面具有巨大的潜力。

文献链接：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。