高强度、耐低温水凝胶的制备及在柔性可穿戴设备中的应用

作者及机构
本研究由河南机电职业学院智能工程学院的孔宪华、王亮，以及河南省超硬材料智能制造装备集成重点实验室的杜全斌合作完成，发表于《材料科学与工程学报》（*Journal of Materials Science & Engineering*）2025年第43卷第2期。

学术背景
柔性可拉伸传感器是可穿戴设备和软体机器人下一代传感系统的核心组件，但现有柔性材料普遍存在强度低、低温耐受性差等问题。水凝胶因其类皮肤特性和可设计的力学/电学性能成为理想候选材料，但其高含水量导致低温环境下易变脆失效。传统方法（如添加碳基填料或离子液体）虽能提升导电性，但常牺牲延展性或存在毒性风险。共晶溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）作为一种绿色溶剂，兼具增强导电性和保持柔性的潜力。本研究旨在通过聚丙烯酰胺（PAAM）与DES复合，开发兼具高强度、耐低温性和生物相容性的离子导电水凝胶，并验证其在柔性传感器中的应用价值。

研究流程与方法
1. 水凝胶制备
- 材料配比：以丙烯酸（AA）和氯化胆碱（CHCl）按质量比1:1制备DES，随后与丙烯酰胺（AM）、乙二醇（EG）、光引发剂819混合，通过紫外光固化（405 nm，30分钟）合成PAAM/DES水凝胶。
- 分组设计：根据DES含量（4 g、8 g、12 g）分为DES-1、DES-2、DES-3三组，研究DES浓度对性能的影响。

1. 性能表征
   
   • 力学测试：使用万能材料试验机（AGX-X-10kN）测定拉伸应力、应变及循环加载性能（拉伸速度100 mm/min，循环次数10次）。
     
   • 黏附性测试：通过剥离实验量化水凝胶对玻璃、金属、皮肤等材料的黏附强度（单位kPa）。
     
   • 电导率测试：采用CHT660D工作站测量室温及-20℃下的电导率，通过公式δ=d/SR计算（d为厚度，S为电极面积）。
     
   • 低温稳定性：差示扫描量热法（DSC）分析-60~0℃范围内的相变行为，并测试-20℃下500次拉伸循环的信号稳定性。
     

主要结果
1. 力学性能
- DES含量增加显著提升强度（DES-1至DES-3的拉伸应力从0.945 MPa增至3.189 MPa），但拉伸应变从1200%降至555%。
- 动态氢键网络赋予高韧性（DES-2/DES-3韧性达9.3 mJ·m⁻³）和抗疲劳性（10次循环后能量耗散率稳定至30%）。

1. 黏附性与适应性

   • 水凝胶与多种材料（玻璃、铝板、猪皮等）的黏附强度为11~115 kPa，归因于氨基/羧基氢键作用。
     

2. 低温电学性能

   • -20℃下电导率保持90 mS·m⁻¹（室温为164 mS·m⁻¹），且500次拉伸循环中电阻信号振幅稳定，DSC显示无相变，证实低温耐受性。
     

结论与价值
本研究成功开发出PAAM/DES水凝胶，其高强度（3.2 MPa）、高延展性（1200%）、低温稳定性（-20℃性能保持）及普适黏附性，解决了柔性传感器在极端环境下的应用瓶颈。科学价值在于通过动态氢键与共价键协同策略优化力学-电学性能平衡；应用价值体现在可穿戴健康监测、极地或航天领域柔性电子设备的潜在适用性。

研究亮点
1. 材料创新：首次将DES引入PAAM水凝胶体系，实现强度与延展性的协同提升。
2. 低温性能突破：-20℃下电导率保持率超55%，远超同类报道。
3. 工艺简易性：紫外光固化制备工艺易于规模化生产。

其他价值
水凝胶的透明性（可见光透过率>80%）和流动性为其在光学传感器或3D打印中的应用提供了拓展空间。