本技术涉及一种分层结构的高弹性高导电水凝胶及其制备方法和应用领域。该制备技术通过混合PVA、PEDOT:PSS和EGaIn微纳米颗粒,利用重力沉降与静电吸附原理,制得高拉伸性和高导电性的水凝胶材料。
背景技术
水凝胶由于其机械灵活性、结构渗透性和生物相容性,被认为是构建软电子设备和生物医学设备的很有前途的候选材料。然而,大多数水凝胶是不导电的,这限制了它们在这些领域的应用。导电水凝胶的研究和开发为其在先进技术领域的应用创造了新的可能性,如可植入的生物电极、软致动器和组织工程平台。尽管进行了广泛的研究,但在水凝胶中实现高导电率和机械稳健性仍然具有挑战性。传统的离子导电水凝胶通过将电解质引入水相从而实现离子导电,由于霍夫迈斯特效应,该过程会导致聚合物网络结构的致密化,通过增加交联密度来增强离子导电水凝胶的力学性能。然而,受电解质的溶解度以及离子低迁移率的限制,离子导电水凝胶通常表现出10S·m-1
左右的电导率,比电子导体低几个数量级,大大限制了导电水凝胶的应用范围。
为提高水凝胶的导电性,加入电子导电成分可以有效提升其导电能力。传统方法是向水凝胶基质中添加金属或碳填料等导电填料。然而由于导电填料在水凝胶基质中随机分布,难以在低含量水平下(例如<10wt%)构建三维导电网络。而过多添加导电填料则会破坏水凝胶结构的均匀性,导致应力集中,从而在小应变下引发导电水凝胶的失效。另一种提高水凝胶导电性的方法是加入导电聚合物,如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)或聚苯胺,这些聚合物可以在水凝胶中形成纤维状三维导电网络,或附着在原有聚合物网络上构建三维导电网络。与添加导电填料相比,导电聚合物形成的三维导电网络具有更好的均匀性和力学性能,提供了更好的延展性。然而,由于导电聚合物的固有特性,相关的水凝胶的电导率通常限制在1,000S·m-1
以下。
液态金属(LM)如共晶镓铟合金(EGaIn),由于其无毒性、高热导率和电导率、大表面张力、低蒸气压和低粘度等特性,近年来引起了广泛关注。尽管已有的研究在整合液态金属与水凝胶方面取得了重要进展,但是每种材料体系仍需在满足商业电子元件的高电导率要求和水凝胶的柔顺性与可变形性之间做出权衡。
Yan团队通过在聚乙烯醇(PVA)加入超声处理的EGaIn纳米颗粒制备IM导电弹性体,获得了延展性扩大50倍的效果,但材料导电性能较差,无法满足高导电器件的应用(Wang X,Zheng S,Xiong J,et al.Stretch-Induced Conductivity Enhancement inHighly Conductive and Tough Hydrogels[J].Advanced Materials,2024:2313845)。
Xuan团队在PDMS弹性体中引入微通道,通过LM液滴之间的微通道实现可逆的电路导通,在微小应力下可应用于开关等器件,但材料延展性低,在大应力作用下失效,无法满足可穿戴式器件的要求(He X,Wu J,Xuan S,et al.Stretchable and recyclable liquidmetal droplets embedded elastomer composite with high mechanically sensitiveconductivity[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2022,14(7):9597-9607)。
因此,开发一种简便的方法来制备同时具有较好的力学行为和导电率的液态金属基导电水凝胶具有良好的科研意义和应用前景。
实现思路