高強度離子導(dǎo)電凝膠

前言：與碳材料和金屬相比，離子導(dǎo)電凝膠具有可以移動的自由離子，在大變形或拉伸狀態(tài)下表現(xiàn)出最小的電阻變化，同時其柔性良好，對可見光的透明度高，這些優(yōu)點使得離子導(dǎo)電凝膠被廣泛應(yīng)用于電子皮膚、人機交互及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。但是，離子導(dǎo)電凝膠力學(xué)性能差，因而應(yīng)用受到限制，為此研究人員通過添加納米填料、無機鹽和有機鹽、聚電解質(zhì)的方法來提高其力學(xué)性能。三種離子導(dǎo)電凝膠1.納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠：將納米填料（包括氧化石墨烯（GO）、納米黏土、聚合物納米填料等材料）本身的特性與離子導(dǎo)電凝膠的軟濕性能相結(jié)合，從而改善了離子導(dǎo)電凝膠的力學(xué)性能。但是納米填料與親水凝膠的不相容性仍未解決，GO復(fù)雜的氧化工藝以及聚合物納米填料制備過程和形態(tài)難以控制的問題,導(dǎo)致納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，因此應(yīng)在材料設(shè)計、有效利用和提高納米材料性能方面進行改進。2.鹽離子導(dǎo)電凝膠：通常采用無機鹽（NaCl、硫酸銨等）、有機鹽（鹽酸羥胺、離子液體等）材料來制備。鹽可以電離出陽離子和陰離子，另外這些材料成本低、簡單易得并且在一定程度上可以提高離子導(dǎo)電凝膠的力學(xué)性能。

制備鹽離子導(dǎo)電凝膠時，無機鹽浸泡過程中鹽離子的緩慢滲透影響了鹽離子導(dǎo)電凝膠的廣泛應(yīng)用；離子液體的毒性和高制造成本使其應(yīng)用受到限制，因此開發(fā)價格低廉、無毒、可廣泛應(yīng)用的鹽離子導(dǎo)電凝膠是未來的研究方向。3.聚電解質(zhì)離子導(dǎo)電凝膠：是一種具有帶電基團或可電離部分的聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)。離子的導(dǎo)電性或遷移性是聚電解質(zhì)離子導(dǎo)電凝膠的一個重要特征，其中離子攜帶電流，因此聚電解質(zhì)離子導(dǎo)電凝膠可用于開發(fā)柔性和可拉伸電子設(shè)備。聚電解質(zhì)離子導(dǎo)電凝膠可以使用天然聚電解質(zhì)和合成聚電解質(zhì)制備。

聚電解質(zhì)離子導(dǎo)電凝膠具有生物相容性好等優(yōu)點，但目前在動物體內(nèi)的應(yīng)用實驗較少，在人體內(nèi)的生存性能還有待研究，未來應(yīng)進一步提高凝膠的再生性能，以促進細胞的擴散、增殖、分化，擴大凝膠在人體中的應(yīng)用。三種導(dǎo)電凝膠制備方法及特點1.Mao等以聚丙烯酸（PAA）和GO原料，采用一步原位聚合法制備了可用于傳感器的納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠PAA-GO。

PAA-GO具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高拉伸性（應(yīng)變高達1185.53%）和高拉伸強

(391.21kPa)。由于雙重交聯(lián)效應(yīng)，F(xiàn)e3+離子與PAA和GO的羧基官能團之間的離子配位鍵,以及PAA的極性官能團與PAA和GO含氧官能團之間的氫鍵，使得凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能。2.將GO、聚乙烯醇(PVA)、陽離子殼聚糖在水和甘油中共混，制備了一種雙物理交聯(lián)的納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠。PVA與甘油形成氫鍵，陽離子殼聚糖與GO通過靜電作用交聯(lián)，最終形成具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠。氯離子的引入使納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠具有高應(yīng)變靈敏度，因此可用于可穿戴應(yīng)變傳感器。3.將彈性聚合物和導(dǎo)電聚合物在膠體水凝膠支架內(nèi)通過分離和順序聚合的方法，制備了具有高導(dǎo)電性和優(yōu)異力學(xué)性能的多網(wǎng)絡(luò)納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠。納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠的拉伸性能好，其彈性模量為15kPa，機械應(yīng)變可達800%。納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠的導(dǎo)電率可達26S/m，其導(dǎo)電性能已經(jīng)超過生物細胞工程特定的導(dǎo)電性能，可以模擬細胞外基質(zhì)并且用于增殖和分化人類誘導(dǎo)的多能干細胞。4.將生物相容性羥丙基纖維素（HPC）嵌入物理交聯(lián)的PVA水凝膠中，通過NaCl溶液浸泡制備出導(dǎo)電性和機械性能優(yōu)異的

HPC/PVA離子導(dǎo)電凝膠

，HPC/PVA離子導(dǎo)電凝膠與天然橡膠非常類似，可以很容易地調(diào)控機械性能和導(dǎo)電性。HPC增強了離子導(dǎo)電性能，導(dǎo)電率達到3.4S/m。HPC/PVA離子導(dǎo)電凝膠可以作為3D打印的機器人的人工神經(jīng)，穩(wěn)定地傳遞交流電和直流電信號。5以聚丙烯腈(PAN)、鹽酸羥胺為原料制備了具有良好力學(xué)性能的自供電離子導(dǎo)電有機凝膠。由于PAN和鹽酸羥胺反應(yīng)生成了酰胺肟基團，凝膠中產(chǎn)生了豐富的氫鍵以及大分子鏈的纏結(jié)使得凝膠具有良好的力學(xué)性能。另外PAN聚合物鏈的壓電效應(yīng)使得離子導(dǎo)電凝膠具有自供電的能力，該凝膠可用于自供電離子皮膚，離子皮膚可安裝在人體不同部位，將機械信號準確地轉(zhuǎn)換為電信號可用于監(jiān)測人體的生理和運動信號。6.制備了具有交聯(lián)螺旋結(jié)構(gòu)、疏水締合和金屬離子配位的新型雙網(wǎng)絡(luò)離子導(dǎo)電凝膠。雙網(wǎng)絡(luò)離子導(dǎo)電凝膠由第1個雙股κ-卡拉膠（κ-CG）螺旋網(wǎng)絡(luò)和第2個網(wǎng)絡(luò)組成，第2個網(wǎng)絡(luò)由功能性三嵌段共聚物膠束和多價配位交聯(lián)。膠束提高了雙網(wǎng)絡(luò)離子導(dǎo)電凝膠的拉伸性能和抗壓縮載荷的疲勞性能，第2個網(wǎng)絡(luò)中的金屬離子配位和交聯(lián)被用于進一步提高凝膠的拉伸強度和韌性，拉伸強度可達2.7MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?400%，拉伸韌性可達9.82MJ/m3。7.設(shè)計了一種拉伸行為與天然皮膚相近的離子皮膚（MiS），MiS由新型多功能丙烯酰胺/淀粉雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠組成。MiS的拉伸應(yīng)變可達1100%，同時它可以恢復(fù)皮膚觸覺感知功能，能夠促進傷口的再生。結(jié)語通過添加納米填料、無機鹽和有機鹽、聚電解質(zhì)對離子導(dǎo)電凝膠進行改性，制備了納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠、鹽離子導(dǎo)電凝膠以及聚電解質(zhì)離子導(dǎo)電凝膠，這3種離子導(dǎo)電凝膠都具有粘附性、高力學(xué)性能、導(dǎo)電性和透明性等特點。與其他2種離子導(dǎo)電凝膠相比，納米復(fù)合離子導(dǎo)電凝膠具有更好的電導(dǎo)率、相對較高的靈敏度以及優(yōu)良的力學(xué)性能，但是納米填料和水凝膠網(wǎng)絡(luò)之間具有不相容性且難以解決；鹽離子導(dǎo)電凝膠具有良好的導(dǎo)電性和抗冷凍性，但是鹽離子的緩慢滲透影響了凝膠的應(yīng)用；聚電解質(zhì)由于良好的生物相容性及環(huán)境友好性使用最為廣泛，但有關(guān)其在人體內(nèi)的應(yīng)用研究較少，可作為未來的研究方向。離子導(dǎo)電凝膠是一種發(fā)展迅速的新型功能材料，對于溫度、濕度、壓力比較敏感，因此在人體體溫監(jiān)測、電子皮膚等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。離子導(dǎo)電凝膠的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在凝膠和金屬電極之間的界面，導(dǎo)致凝膠中的電流隨著時間的推移