上海騰拔質構儀助力杭州電子科技大學發表關于有機水凝膠的國際期刊論文

近日，杭州電子科技大學電子信息學院研究人員在國際期刊《Microchemical Journal》（中科院二區，影響因子IF=4.9）發表了題為"A PVDF-based organohydrogel for self-powered and anti-freezing sensor in electronic skin"的研究性論文。在該論文中，研究人員利用上海騰拔Universal TA質構儀用于測定有機水凝膠的機械性能和抗疲勞性能等指標。

自供電壓電傳感器能夠有效解決電子皮膚的供電問題。然而，制造出模量與人類皮膚相似的柔性傳感器仍然頗具挑戰性。本文報道了一種基于聚偏氟乙烯（PVDF）的有機水凝膠作為電子皮膚用壓電傳感器。聚乙烯醇（PVA）構成主要網絡，促進了 PVDF 中電活性 β 相的形成，并確保了有機水凝膠傳感器的壓電性能。聚丙烯酸（PA）通過與 PVA 形成氫鍵來增強交聯密度和機械性能，同時還充當膠凝劑以減少 PVA 結晶。此外，有機溶劑二甲基亞砜（DMSO）被引入，為傳感器賦予抗凍性能。該有機水凝膠在 100 次壓縮加載 — 卸載循環后展現出優異的抗疲勞性能。而且，有機水凝膠壓電傳感器有著令人矚目的約 8 毫秒的響應時間以及 0-30N的寬壓力范圍。再者，該壓電有機水凝膠表現出出色的抗凍性能，即便在低溫下冷凍 10 天之后仍能保留其機械和壓電特性。基于 PVDF 的有機水凝膠已被證實，在無需外部電源的情況下，對于人體運動檢測有著重大的應用潛力。

機械性能對于壓電有機水凝膠作為傳感器在電子皮膚中的應用尤為重要。為了研究聚丙烯酸（PA）對有機水凝膠機械性能的影響，我們對含有不同聚丙烯酸含量的有機水凝膠的彈性性能進行了測試。在應力-應變曲線圖中可以觀察到，PVA- PVDF_1.8 - PA_0.2 有機水凝膠表現出較低的抗壓能力，在受到 45% 的壓縮應變時就會發生破裂。相比之下，PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 展現出了更強的機械性能，因為它能夠承受高達 0.17 Mpa的應力而不會破裂。隨著PA含量從 0.2 增加到 0.5，有機水凝膠的壓縮強度和模量也隨之增加。這種性能的改善歸因于PA中羥基所促成的眾多氫鍵，這些羥基會與PVA中的羥基發生物理交聯。這些增強的分子間相互作用顯著地改善了PVA- PVDF_X - PA_Y 型有機水凝膠的機械性能。與PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 相比，PVA- PVDF_1.8 - PA_0.8 的抗壓強度有所下降，這表明隨著PA含量進一步增加，有機水凝膠的機械性能出現了下滑。隨著PA過量增加，更多的氫鍵形成，這會減少PVA內部分子間的氫鍵，進而導致有機水凝膠的網絡結構變得疏松。為了進一步探究有機水凝膠的機械耐久性，我們對在應力測試中表現最佳的PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 有機水凝膠進行了循環加載 — 卸載測試。PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 有機水凝膠的機械穩定性和抗疲勞性能十分出色，這從其經過 100 次循環后仍保持一致的曲線（疲勞測試）便可得到證明。在 50% 的壓縮應變下，該有機水凝膠的應力曲線在經過 100 次壓縮加載 — 卸載循環后僅顯示出微小的滯后現象。