基于纤维素纳米晶体纳米复合增强策略的自愈和抗冻水凝胶及其在柔性传感器中的应用

《Reactive and Functional Polymers》：Self-healing and anti-freezing hydrogels based on the nanocomposite reinforcement strategy of cellulose nanocrystals and their applications in flexible sensors

本研究采用磷脂酸（PA）、纤维素纳米晶体（CNCs）和聚多巴胺（PDA）制备复合纳米填料，显著提升水凝胶的机械强度（1.26 MPa）、自愈效率（71.9%）及抗冻性能（-30.0℃），并开发出高灵敏度（GF=2.03）、响应迅速（271.0 ms）的柔性传感器，适用于极端环境下的可穿戴设备和智能医疗。

　　

辛航宇|于胜|张新月|李一静|王文祥|魏凯|白良久|杨丽霞|陈厚

中国烟台鲁东大学材料科学与工程学院，邮编264025

摘要

近年来，基于水凝胶的柔性传感器在人体运动追踪和生物医学领域展现出巨大潜力，但在机械强度、自修复能力和抗冻性能方面仍面临挑战。本研究提出了一种采用植酸（PA）、纤维素纳米晶体（CNCs）和多巴胺（PDA）的纳米复合增强策略。通过多层次设计制备了一种多功能纳米填料（CNCs@PDA@PA）。所得水凝胶具有优异的性能：抗拉强度为1.26 MPa，自修复效率达71.9%。该水凝胶在-30.0°C的温度下仍能保持良好性能，并具有优异的抗霜冻能力。基于该水凝胶的传感器灵敏度很高（GF = 2.03），响应速度快（271.0 ms），且循环稳定性良好。它能够检测各种人体运动，无论是大规模的动作还是微小的动作。这项工作为在极端条件下设计水凝胶传感器提供了一种新方法，具有在可穿戴电子设备和智能医疗领域应用的潜力。