东华大学朱美芳院士：超强/高电导芳纶纳米纤维/PVA/纳米银水凝胶|pva|朱美芳|水凝胶|纳米|高分子

【摘要】

同时具有高机械强度/模量和超高稳定导电性的可拉伸导电水凝胶是软机器人、人造皮肤和生物电子学应用的理想选择，但迄今为止，它们的制造仍然非常具有挑战性。最近，基于芳纶纳米纤维 (ANFs) 增强聚乙烯醇 (PVA) 水凝胶层和一层银纳米线 (AgNWs)/PVA 的夹心结构混合水凝胶是通过静电纺丝结合真空辅助过滤制造的。

混合 ANF-PVA 水凝胶表现出优异的机械性能，拉伸模量为 10.7-15.4 MPa，拉伸强度为 3.3-5.5 MPa，断裂能高达 5.7 kJ m-2，这主要归因于 PVA 和 PVA 之间的强氢键相互作用。ANFs 和纤维结构的平面排列。异质结构的合理设计使水凝胶具有 1.66 × 104 S m-1 的超高表观电导率，是迄今为止导电水凝胶报道的最高电导率之一。更重要的是，这种超高电导率在 0-90% 的广泛应用应变和超过 500 次拉伸循环时保持不变。此外，由于超高的电导率，水凝胶表现出优异的焦耳热和电磁干扰屏蔽性能。这些具有超高和应变不变电导率的机械强度混合水凝胶代表了许多重要应用（例如柔性电子产品）的巨大希望。相关论文以题为Mechanically Strong and Multifunctional Hybrid Hydrogels with Ultrahigh Electrical Conductivity发表在《Advanced Functional Materials》上。通讯作者是东华大学叶长怀教授，和朱美芳院士。

【主图导读】

图1 a) ANF 增强 PVA 水凝胶和具有夹层结构的导电混合水凝胶的制造过程示意图。b) ANF 增强 PVA 水凝胶中分子相互作用的示意图。c,d) 通过静电纺丝制造的 ANF-PVA 纤维垫的照片和 SEM 显微照片；e,f) 在 ANF-PVA 纤维垫上通过真空辅助过滤 AgNWs/PVA 制备的导电混合水凝胶；g,h) 夹心结构的导电水凝胶。

图2 a) 拉伸应力-应变曲线；b) 拉伸强度、弹性模量；c) 具有不同 ANF 含量的 ANF 增强 PVA 水凝胶以及具有 0.23 vol% AgNW 的夹心结构 ANF 1.96%-PVA/AgNWs 混合水凝胶的断裂伸长率和断裂能。

图3 a) PVA 和 ANF-PVA 水凝胶的结晶度。b) 具有不同ANF含量的 ANF-PVA 水凝胶的一维散射强度分布曲线和 c) 归一化的一维电子密度相关曲线。d) 不同 ANF 含量的 ANF-PVA 水凝胶的平均晶片厚度、晶片之间的长间距和晶片厚度的多分散性。

图4 a) 不同 ANF 含量的 PVA、ANF 和 ANF-PVA 水凝胶的 FTIR 光谱；b) O-H 和 c) C-O 的拉伸变化。d) 复数粘度，e) 储能模量，和 f) PVA 和 ANF-PVA 溶液的损耗模量。

图5 a) 薄层电阻和 b) 具有不同 AgNWs 含量的导电 ANF-PVA/AgNWs 水凝胶的表观电导率。c) AgNWs 体积分数为 0.23% 的 ANF-PVA/AgNWs 水凝胶的抗拉伸应变；d) 相对于拉伸-恢复循环的电阻变化，拉伸应变设置为 15%。e) 阻力变化与折叠恢复周期的关系，折叠角度设置为 180°。f)水凝胶的拉伸强度和电导率的比较。g) 导电 ANF-PVA/AgNWs 水凝胶在拉伸、弯曲和扭曲下作为电路导体的照片。h) 在混合水凝胶拉伸之前和之后，网状导电 AgNWs 网络和通过导电网络的电子传输路径的示意图。

图6 a）不同电压驱动的ANF-PVA/AgNWs水凝胶的焦耳热性能。分别使用 b) 0、c) 1 和 d) 1.5 V 的低供电电压加热水凝胶的红外照片；e) ANF-PVA/AgNWs 水凝胶作为电致变色材料的演示应用。水凝胶中的 AgNWs 含量为 0.23 vol%。

图7 a) X 波段的 EMI 屏蔽性能；b) ANF-PVA/AgNWs 水凝胶的 SET、SER 和 SEA 值的比较。c) 导电 ANF-PVA/AgNWs 水凝胶用于无线模块 EMI 屏蔽的示例应用。

【总结】

团队开发了一种新策略，通过静电纺丝结合真空辅助过滤 ANF-PVA 纤维垫上的薄 AgNWs/PVA 层来制造夹心结构的导电 ANFs 增强的 PVA 混合水凝胶。电纺 ANF-PVA 混合水凝胶表现出极高的拉伸强度、模量和韧性。高机械性能被证明归因于 PVA 和 ANFs 分子链之间的强氢键相互作用、改进的晶体结构以及面内对齐的纳米纤维结构。通过改变 AgNWs 含量，混合水凝胶的电导率从 470 调整到 1.66 × 104 S m-1，并对复杂变形表现出极高的稳定性。基于高且应变不变的导电性，可拉伸电致变色水凝胶通过由 <1.5 V 的低电压驱动的焦耳加热制成。高导电性水凝胶还表现出优异的 EMI 屏蔽性能，在 EMI SE 达到 52 dB AgNWs 含量低。团队相信这项工作代表了一种制造具有高机械性能和超高导电性的可拉伸水凝胶的新策略，具有将水凝胶应用扩展到柔性生物电子和软机器人的巨大潜力。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202104536