类型a：学术研究报告

MXene增强的深共晶溶剂基柔性应变传感器：高导电性与抗冻性能

一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为Jiaxing Nanhu University的Junyan Feng与Jiaxing University的Bo Xing，合作单位包括浙江工业大学机械工程学院。研究于2023年9月发表于《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》（Volume 677, 132349）。

二、学术背景与研究目标
1. 科学领域与问题背景：
柔性传感器在电子皮肤、可穿戴设备等领域潜力巨大，但传统水凝胶易脱水、低温冻结，离子凝胶成本高且有毒。深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）作为绿色溶剂，具有低挥发性和抗冻性，但DES凝胶机械性能差，限制了其应用。
2. 研究目标：
通过电液动力直写（Electrohydrodynamic Direct-Writing, EHD）技术制备MXene增强的DES凝胶薄膜，提升其导电性（0.235 S/m）、抗冻性（-60℃稳定）及机械性能（拉伸强度0.26 MPa，应变422%），并应用于人体运动监测。

三、研究流程与方法
1. 材料制备：
- DES合成：甘油与氯化胆碱按2:1摩尔比混合，90℃加热1小时形成均相溶液。
- 前驱体溶液：以丙烯酸（AA）为单体，羟乙基纤维素（HEC）为物理交联剂，加入光引发剂1173和交联剂MBA，与DES按质量比（4:6至7:3）混合。MXene纳米片（1-3 wt%）作为活性填料分散其中。

1. EHD打印与固化：

   • 设备：三轴运动平台、高压电源（3 kV）、紫外LED（365 nm）组成非接触式直写系统，喷嘴内径0.26 mm。
     
   • 参数：流速50 μL/min，打印高度0.2 mm，逐层打印于PDMS模具中，每层紫外固化5分钟。
     

2. 性能测试：

   • 机械性能：万能试验机测试拉伸（应变速率30 mm/min），计算弹性模量与韧性。
     
   • 电化学性能：电化学工作站（频率100 kHz-1 Hz）测定离子电导率。
     
   • 低温稳定性：-60℃冷冻12小时后测试导电性与拉伸性能。
     
   • 传感性能：铜电极连接凝胶薄膜，监测应变-电阻响应（应变范围1-250%）。
     

四、主要结果
1. MXene的增强效应：
- 2 wt% MXene使凝胶拉伸强度提升至0.26 MPa（无MXene时为0.13 MPa），导电性达0.235 S/m。MXene与PAA/HEC的氢键网络提高了交联密度（SEM证实孔隙率降低）。

1. 双网络结构优化：

   • HEC（2 wt%）引入后，凝胶的弹性模量升至163 kPa，能量耗散能力增强（循环拉伸滞后仅4.2%）。
     

2. 抗冻性与传感性能：

   • -60℃下凝胶仍保持导电性（0.139 S/m）和拉伸性（277%应变）。传感器在1-250%应变范围内线性响应（GF=1.61-3.48），1000次循环后信号衰减可忽略。
     

3. EHD打印优势：
   电场诱导离子定向排列，打印凝胶电导率（0.235 S/m）显著高于传统注塑法（0.139 S/m）。

五、结论与价值
1. 科学意义：
- 提出MXene-PAA-HEC三元协同增强机制，为高性能离子导体设计提供新策略。
2. 应用价值：
- 传感器可监测关节弯曲（腕、肘、手指）且在极端环境下稳定工作，适用于可穿戴设备与软体机器人。

六、研究亮点
1. 方法创新：首次结合EHD打印与DES凝胶，实现高分辨率（0.2 mm层厚）与高导电性。
2. 材料设计：多层MXene作为多功能填料（导电增强剂与交联剂），突破传统凝胶性能瓶颈。
3. 环境适应性：-60℃下仍保持传感功能，拓展了柔性电子器件的应用场景。

七、其他价值
该凝胶采用生物相容性材料（HEC、甘油），符合绿色电子器件发展趋势，且工艺成本低廉，具备规模化生产潜力。