鄒 健 陳 卓 王盛冀 金 濤 易添灝 楊曉宇 經(jīng) 鑫

湖南工業(yè)大學(xué) 包裝與材料工程學(xué)院 湖南 株洲 412007

1 研究背景

水凝膠[1]（hydrogel）是一類含有大量水分的三維網(wǎng)狀聚合物，常被用于生物醫(yī)學(xué)[2-3]、工程技術(shù)[4-5]、軟體機(jī)器人[6]及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)[7]等領(lǐng)域。在凝膠溶液中加入一定量的導(dǎo)電填料，包括碳基納米材料如碳納米管[8]（carbon nanotubes，CNTs）、無機(jī)鹽如氯化鈉（NaCl）[9]，以及導(dǎo)電聚合物如聚苯胺[10]（polyaniline，PANI）等制備的水凝膠稱為導(dǎo)電水凝膠（electrically conductive hydrogels，ECHs）。電導(dǎo)率常被用來表征材料導(dǎo)電性能的強(qiáng)弱，其主要受導(dǎo)電填料的種類、濃度和溫度的影響。Chen K. 等[11]在聚丙烯酰胺基質(zhì)中添加銀納米顆粒/氧化石墨烯（graphene oxide，GO）粉末，制備了一種兼具出色拉伸性、抗疲勞性和高導(dǎo)電性（電導(dǎo)率為0.15 S/m）的多功能復(fù)合水凝膠，可以用于大應(yīng)變下的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)以及小應(yīng)變下的面部微表情識(shí)別。Zhang Z. Y.等[12]利用海藻酸銅和聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）制備雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，該導(dǎo)電水凝膠具有優(yōu)異的應(yīng)變敏感性、穩(wěn)定性和高導(dǎo)電性（電導(dǎo)率為(4.08±0.17) mS/cm）。這為制備兼具優(yōu)異機(jī)械性能和應(yīng)變敏感性的水凝膠提供了理論依據(jù)。

按照交聯(lián)機(jī)制的不同，交聯(lián)劑可分為物理交聯(lián)劑和化學(xué)交聯(lián)劑[13]。物理交聯(lián)水凝膠是通過凝膠單體與物理交聯(lián)劑之間產(chǎn)生的非共價(jià)作用（氫鍵、靜電相互作用、范德華力）形成的水凝膠。例如，Zhou X. 等[14]利用納米黏土（laponite）作為物理交聯(lián)劑制備了具有強(qiáng)黏附性能、高拉伸強(qiáng)度的聚N, N-二甲基丙烯酰胺/laponite雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，并探索了其在柔性電子方面的應(yīng)用。化學(xué)交聯(lián)水凝膠是凝膠單體之間通過共價(jià)鍵交聯(lián)形成的的三維網(wǎng)狀聚合物。相比于物理交聯(lián)形成的水凝膠，化學(xué)交聯(lián)構(gòu)筑的水凝膠材料具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。丁晶晶等[15]利用丙烯酰胺（acrylamide，AM）作為反應(yīng)單體，N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺（N, N’-methylenebis-acrylamide，MBAA）作為交聯(lián)劑，銀納米線（AgNWs）作為導(dǎo)電填料，制備了一種兼具高拉伸強(qiáng)度（2.2 MPa）和高電導(dǎo)率的復(fù)合水凝膠。

在制備水凝膠過程中，交聯(lián)劑的含量會(huì)影響聚合物網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)點(diǎn)密度。當(dāng)交聯(lián)劑含量過少時(shí)，反應(yīng)單體形成的聚合物分子鏈間交聯(lián)點(diǎn)密度較小，無法形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；當(dāng)交聯(lián)劑含量過多時(shí)，聚合物分子鏈間交聯(lián)點(diǎn)密度過大，會(huì)使得水凝膠變得硬而脆[16]。由此可見，交聯(lián)點(diǎn)密度會(huì)顯著影響水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而影響其力學(xué)、電學(xué)等行為，所以明確水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系有利于調(diào)控水凝膠的綜合性能。

本研究在固定引發(fā)劑和交聯(lián)劑質(zhì)量比為10:1的條件下，通過改變交聯(lián)劑的使用量，對(duì)制備的水凝膠進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，探究水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系；通過對(duì)水凝膠的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試，探究水凝膠的電學(xué)行為，并探究聚丙烯酰胺水凝膠基應(yīng)變傳感器的應(yīng)用。以期能為水凝膠綜合性能的調(diào)控和在柔性可穿戴傳感設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 主要實(shí)驗(yàn)原料與儀器設(shè)備

1）原料

丙烯酰胺（AM），分析純，購于上海麥克林生物技術(shù)有限公司。過硫酸銨（ammonium persulfate，APS），分析純；N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAA），純度為99%；氯化鈉，分析純，均購于上海阿拉丁試劑有限公司。所用藥品均未進(jìn)行純化，實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

2）儀器與設(shè)備

電子分析天平，ES1035A型，天津市德安特傳感技術(shù)有限公司；磁力攪拌器，MYP11-2A型，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；真空干燥箱，DZF-6050型，上海捷成儀器設(shè)備有限責(zé)任公司；電子萬能試驗(yàn)機(jī)，EUT2503型，深圳三思檢測(cè)技術(shù)有限公司；數(shù)字萬用表，BK PRECISION 878B型，美國BK PRECISION公司；掃描電子顯微鏡，PW-100-515型，荷蘭Phenom有限公司；電化學(xué)工作站，CHI760E型，上海辰華儀器有限公司。

2.2 水凝膠的制備

將9 g AM加入30 mL濃度為0.5 mol/L的氯化鈉溶液中，在冰浴中攪拌30 min，然后均分為3份；向每份中分別加入2.5, 4.0, 5.5 mg的MBAA和25,40, 55 mg的APS，在冰浴條件下充分反應(yīng)30 min。移去冰浴裝置后進(jìn)行真空脫氣，之后迅速將所得溶液轉(zhuǎn)移至尺寸為30 mm × 10 mm × 2 mm的模具中；最后將其轉(zhuǎn)移至60 ℃真空干燥箱中干燥1.5 h，得到AAxMy（AM-APSx-MBAAy）水凝膠，其中x、y分別為APS和MBAA的質(zhì)量。例如AA40M4表示該水凝膠中加入了40 mg的APS和4 mg的MBAA。

2.3 水凝膠的形貌表征與性能測(cè)試

1）表面形貌表征。采用掃描電子顯微鏡觀察水凝膠的表面形貌，測(cè)試前對(duì)冷凍干燥的水凝膠樣品進(jìn)行噴金處理30 s，使樣品表面具有更強(qiáng)的導(dǎo)電性，掃描電壓為5 kV。

2）機(jī)械性能測(cè)試。將尺寸為30 mm × 10 mm × 2 mm 的水凝膠樣品置于電子試驗(yàn)機(jī)上，在25 ℃下以20 mm/min的速度進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，并記錄樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，每組樣品平行測(cè)試3次。

3）斷裂性能測(cè)試。將尺寸為30 mm × 10 mm × 2 mm 的水凝膠樣品置于電子試驗(yàn)機(jī)上，并在樣品長(zhǎng)度方向15 mm處裁切一個(gè)沿寬度方向延伸5 mm的缺口，在25 ℃下以20 mm/min的速度進(jìn)行拉伸測(cè)試，并記錄力與位移的數(shù)值，每組樣品平行測(cè)試3次。

4）電導(dǎo)率測(cè)試。將尺寸為10 mm × 10 mm 的水凝膠樣品充分貼合在兩鉑（Pt）電極板之間，然后利用電化學(xué)工作站對(duì)其進(jìn)行阻抗測(cè)試（EIS）。根據(jù)阻抗圖譜計(jì)算出水凝膠的電導(dǎo)率σ[17]，

式中：d為兩極板之間的距離；

S為樣品與Pt電極的接觸面積；

Rb為水凝膠的本征電阻。

5）傳感性能測(cè)試。為了避免測(cè)試過程中的水分散失，上下以3M 雙面膠帶（very high band，VHB）為封裝層，中間為水凝膠層，兩端以導(dǎo)電膠帶連接的方式組裝成水凝膠基柔性應(yīng)變傳感器；將樣品夾持在萬能電子試驗(yàn)機(jī)上，使用數(shù)字萬用表記錄拉伸過程中的電阻變化。從而計(jì)算相對(duì)電阻變化率[18-19]，

式中：ΔR為相對(duì)電阻變化；

R0為水凝膠的初始電阻；

Rt為在t時(shí)刻的實(shí)時(shí)電阻。

根據(jù)相對(duì)電阻變化率和應(yīng)變?chǔ)?，?jì)算出水凝膠的靈敏度（gauge factor，GF）[8]，

3 結(jié)果與討論

3.1 水凝膠中引發(fā)劑與交聯(lián)劑質(zhì)量比的確定

交聯(lián)劑MBAA含量固定為2.5 mg，改變引發(fā)劑APS的含量，觀察前驅(qū)體溶液成膠過程中的狀態(tài)，結(jié)果如表1所示。當(dāng)APS含量較低時(shí)，前驅(qū)體溶液無法順利發(fā)生交聯(lián)形成凝膠。而AA25M2.5和AA50M2.5兩種水凝膠的表面均未有水分滲出，表面平滑且回彈性較好，說明已經(jīng)完全交聯(lián)固化成為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的水凝膠材料。

表1 前驅(qū)體溶液的配比及成膠狀態(tài)Table 1 The proportion of precursor solution and state of gel

對(duì)AA25M2.5和AA50M2.5水凝膠樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線并計(jì)算出彈性模量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 AA25M2.5和AA50M2.5水凝膠力學(xué)性能對(duì)比Fig. 1 The mechanical property comparison of AA25M2.5 and AA50M2.5 hydrogel

彩圖

由圖1a可知，AA25M2.5和AA50M2.5水凝膠的斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂應(yīng)力的大小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)的差異都較小。這表明當(dāng)APS的加入量超過完全交聯(lián)固化的所需量時(shí)，APS含量增加對(duì)水凝膠的力學(xué)性能并未產(chǎn)生明顯影響。此外，圖1b中兩種水凝膠的彈性模量對(duì)比也表明，APS的含量增加對(duì)水凝膠的彈性模量并未產(chǎn)生明顯的影響。

前驅(qū)體溶液完全交聯(lián)固化所需APS的量受到諸多變量，如實(shí)驗(yàn)溫度、濕度、干燥溫度等因素的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中無法得知其具體數(shù)值。一般認(rèn)為在體系中無溶膠產(chǎn)生時(shí)加入的APS量即為水凝膠完全交聯(lián)固化的所需量。

上述結(jié)果表明，當(dāng)交聯(lián)劑MBAA含量固定，引發(fā)劑APS的加入量超過完全交聯(lián)固化所需要的量時(shí)，引發(fā)劑含量的增加對(duì)水凝膠的力學(xué)性能影響較小。此外，APS的水溶液具有一定的毒性和腐蝕性，含量過高會(huì)對(duì)儀器設(shè)備和人體健康產(chǎn)生損害。因此，在確保前驅(qū)體溶液完全交聯(lián)固化，保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的前提下，本研究在引發(fā)劑APS與交聯(lián)劑MBAA質(zhì)量比固定為10:1的條件下，探討交聯(lián)劑含量變化對(duì)水凝膠綜合性能的影響。

3.2 水凝膠的機(jī)械性能

AA25M2.5、AA40M4和AA55M5.5水凝膠的機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 AA25M2.5、AA40M4和AA55M5.5水凝膠的機(jī)械性能Fig. 2 The mechanical properties of AA25M2.5, AA40M4 and AA55M5.5 hydrogels

由2a可知，AA25M2.5、AA40M4和AA55M5.5水凝膠的斷裂伸長(zhǎng)率分別為1496%、856%、676%，對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)力分別為127, 85, 104 kPa。這表明，隨著交聯(lián)劑MBAA含量的增加，水凝膠的斷裂伸長(zhǎng)率反而下降。其原因可能是：聚合物分子鏈之間產(chǎn)生相對(duì)滑移的能力差異。在單體加入量一定的情況下，交聯(lián)劑加入量較少，交聯(lián)密度較低，聚合物分子鏈較長(zhǎng)，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)稀疏，在拉伸時(shí)更容易發(fā)生相對(duì)滑移；交聯(lián)劑加入量較大，交聯(lián)密度較高，聚合物分子鏈較短，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密，在拉伸時(shí)更難發(fā)生相對(duì)滑移。水凝膠受到拉伸時(shí)，長(zhǎng)聚合物分子鏈更容易產(chǎn)生較大的相對(duì)滑移，使水凝膠的力學(xué)性能得到較大地提高，所以AA25M2.5水凝膠的力學(xué)性能比AA40M4和AA55M5.5的優(yōu)異。

由圖2b可知，隨著交聯(lián)劑MBAA含量的增加，AA25M2.5、AA40M4和AA55M5.5水凝膠的彈性模量增大，水凝膠變得更硬。

由圖2c可知，在應(yīng)變?yōu)?00%時(shí)，無論是第一個(gè)循環(huán)還是第五個(gè)循環(huán)，水凝膠的耗散能均隨著交聯(lián)劑MBAA含量的增加而下降。

由圖2d可知，水凝膠的拉伸回復(fù)率隨著交聯(lián)劑MBAA含量的增加而上升。其原因可能是：不同含量交聯(lián)劑使聚丙烯酰胺水凝膠分子鏈骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)滑移，卸載時(shí)滑移恢復(fù)的能力不同。AA25M2.5水凝膠分子鏈骨架在加載時(shí)產(chǎn)生的較大滑移無法在卸載時(shí)完全恢復(fù)；然而當(dāng)加入交聯(lián)劑的含量為5.5 mg時(shí)，AA55M5.5水凝膠分子鏈骨架在加載時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)滑移較小，卸載時(shí)能更好地恢復(fù)至初始狀態(tài)，從而導(dǎo)致其循環(huán)回復(fù)性能提升。

AA25M2.5和AA55M5.5水凝膠在不同狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。交聯(lián)劑加入量較少，交聯(lián)密度較低，聚合物分子鏈更容易產(chǎn)生相對(duì)滑移；但交聯(lián)劑加入量較大時(shí)，交聯(lián)密度隨之上升，水凝膠骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)滑移較為困難。所以交聯(lián)劑的加入量越多，水凝膠的拉伸性能下降，但是加載-卸載時(shí)的循環(huán)回復(fù)能力增強(qiáng)。

圖3 AA25M2.5和AA55M5.5水凝膠不同狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 The schematic diagram of the network structure of AA25M2.5 and AA55M5.5 hydrogels in different states

3.3 水凝膠的斷裂性能

根據(jù)Lake-Thomas模型[20]，聚合物裂紋面的擴(kuò)展是因?yàn)榇┻^裂紋面的分子鏈被拉斷，分子鏈中彈性能的釋放貢獻(xiàn)了材料的斷裂韌性；而聚合物分子鏈離斷裂面較遠(yuǎn)時(shí)，拉伸時(shí)不耗散能量。材料斷裂韌性Γ0的計(jì)算公式為

式中：α為無量綱系數(shù)；l為單體的長(zhǎng)度；V為單體的體積；n為單體的個(gè)數(shù)；J為單個(gè)分子所具有的能量。

斷裂能是指樣品在受到拉伸機(jī)給予的拉力作用時(shí)，裂縫擴(kuò)展單位面積所需要的能量。水凝膠的斷裂能可根據(jù)R. S. Rivlin等[20-21]的研究結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

利用拉伸機(jī)在拉伸速度為20 mm/min對(duì)同一水凝膠的2個(gè)樣品（30 mm × 10 mm × 2 mm）進(jìn)行拉伸測(cè)試，如圖4所示。其中一個(gè)樣品用剪刀在15 mm處剪一個(gè)長(zhǎng)5 mm的缺口（見圖4），另外一個(gè)樣品不進(jìn)行缺口處理。

圖4 水凝膠拉伸斷裂測(cè)試示意圖Fig. 4 Schematic of hydrogel fracture tensile test

對(duì)2個(gè)不同的樣品進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，從而獲得力-位移曲線，曲線與坐標(biāo)軸圍成圖形的面積表示外力U(L)所做的功。斷裂韌性Γ的計(jì)算公式[22]為

式中：Lc為將樣品從原始位置拉伸至產(chǎn)生連續(xù)裂紋位置時(shí)的臨界距離；

U(Lc)為未缺口處理樣品的力-位移曲線在起始位置到臨界距離下的積分面積；

a0、b0分別為樣品的初始寬度和初始厚度。

AA25M2.5、AA40M4和AA55M5.5水凝膠的斷裂性能結(jié)果如圖5所示。

圖5 AA25M2.5、AA40M4、AA55M5.5水凝膠的斷裂性能Fig. 5 The fracture properties of AA25M2.5,AA40M4, AA55M5.5 hydrogels

影響水凝膠斷裂能的因素眾多，包括聚合物網(wǎng)絡(luò)的緊密程度和水凝膠的臨界裂紋敏感尺寸[23]。由圖5a可知，缺口處理的AA25M2.5、AA40M4和AA55M5.5水凝膠，產(chǎn)生連續(xù)裂紋的臨界距離分別為50, 33, 15 mm。AA40M4樣品曲線產(chǎn)生波動(dòng)的原因可能是：拉伸時(shí)缺口的擴(kuò)展速度并不是一致的，這樣會(huì)造成應(yīng)力數(shù)值的起伏波動(dòng)。由圖5b可知，根據(jù)公式（4）計(jì)算得到的AA25M2.5、AA40M4和AA55M5.5缺口水凝膠的斷裂能分別是0.6985, 0.4986, 0.2930 kJ/m2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：交聯(lián)劑含量的增加會(huì)導(dǎo)致水凝膠產(chǎn)生連續(xù)裂紋的臨界距離減小，從而進(jìn)一步導(dǎo)致水凝膠的斷裂能減小。在水凝膠網(wǎng)絡(luò)受到破壞時(shí)，AA25M2.5水凝膠稀疏的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)在一定程度上阻礙切口的過快生長(zhǎng)，所以AA25M2.5水凝膠產(chǎn)生的連續(xù)裂紋的臨界距離和斷裂能最大；而AA55M5.5水凝膠緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使缺口的生長(zhǎng)相對(duì)較快，所以AA55M5.5水凝膠產(chǎn)生連續(xù)裂紋的臨界距離和斷裂能最小。

3.4 水凝膠的導(dǎo)電性能

AA25M2.5、AA40M4和AA55M5.5水凝膠的電導(dǎo)率測(cè)試相關(guān)結(jié)果如圖6所示。

圖6 AA25M2.5、AA40M4和AA55M5.5水凝膠的電導(dǎo)率測(cè)試相關(guān)結(jié)果Fig. 6 The electrical conductivity results of the AA25M2.5,AA40M4, AA55M5.5 hydrogels

圖6a是水凝膠的Nyquist阻抗圖，縱坐標(biāo)為0時(shí)所對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的值表示水凝膠的本征電阻Rb；圖6b為水凝膠的等效電路圖，其中Rb為水凝膠的本征電阻，Rct為水凝膠與Pt電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻，Zw為瓦爾堡阻抗，Q為常相位角元件。因?yàn)镽ct和Zw都發(fā)生在水凝膠與Pt電極的接觸面之間，而Rb主要作用于材料內(nèi)部，所以Rb與Rct、Zw以圖6b的形式呈現(xiàn)；另外，因?yàn)楣腆w電極的彌散效應(yīng)，即固體電極的電雙層電容的頻響特征與純電容并不一致，有或大或小的偏差，所以用常相位角原件Q對(duì)其進(jìn)行修正[24]。

由6c可知，水凝膠的電導(dǎo)率隨著交聯(lián)劑含量的增加而降低，其中AA25M2.5的電導(dǎo)率最高，達(dá)到21 mS/cm。其原因可能是：交聯(lián)劑含量較少時(shí)，水凝膠的泡孔結(jié)構(gòu)較大，聚合物分子鏈平均間距較小，導(dǎo)電粒子受聚合物網(wǎng)絡(luò)的吸引作用更弱，從而電荷能夠更高效地傳輸；交聯(lián)劑含量較大時(shí)，水凝膠泡孔結(jié)構(gòu)較小，聚合物分子鏈平均間距較大，導(dǎo)電粒子受聚合物網(wǎng)絡(luò)的吸引作用更強(qiáng)，從而阻礙了導(dǎo)電粒子在水凝膠中的傳輸。

水凝膠表面形貌的SEM照片如圖7所示。由圖可以清楚地看出，隨著交聯(lián)劑含量的增加，水凝膠的泡孔尺寸進(jìn)一步縮小。

圖7 PAM水凝膠的表面形貌Fig. 7 Surface morphology of PAM hydrogels

4 AA25M2.5水凝膠在柔性應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用

4.1 AA25M2.5水凝膠的傳感性能分析

根據(jù)力學(xué)性能和電學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果，AA25M2.5水凝膠展現(xiàn)出較高的斷裂伸長(zhǎng)率以及優(yōu)異的電導(dǎo)率。AA25M2.5水凝膠在100%應(yīng)變條件下的傳感性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在100%應(yīng)變條件下，AA25M2.5水凝膠的相對(duì)電阻變化率有一定的可重復(fù)性。當(dāng)水凝膠傳感器被拉伸時(shí)，由于泊松比效應(yīng)的存在，水凝膠趨向于在拉伸的橫向方向上收縮。因此，水凝膠被拉伸時(shí)電阻增加的主要原因是，水凝膠在長(zhǎng)度方向上的延伸和橫截面積上的收縮等相關(guān)幾何尺寸的改變；但在卸載過程中水凝膠的幾何尺寸又重新恢復(fù)，所以相對(duì)電阻變化率呈現(xiàn)出可重復(fù)的狀態(tài)[25]。AA25M2.5水凝膠的相對(duì)電阻變化率，在應(yīng)變保持不變的前提下同樣能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的信號(hào)輸出，與此同時(shí)，靈敏度（GF）隨著拉伸應(yīng)變的增加而增加。以上結(jié)果表明，AA25M2.5水凝膠可以在柔性應(yīng)變傳感器方面得到良好的應(yīng)用。

圖8 AA25M2.5水凝膠的傳感性能測(cè)試結(jié)果Fig. 8 The sensing performance result of AA25M2.5 hydrogel

4.2 AA25M2.5水凝膠基應(yīng)變傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)

將AA25M2.5水凝膠基應(yīng)變傳感器分別安裝在手指模型的關(guān)節(jié)和木偶模型的膝蓋處，使用電化學(xué)工作站對(duì)手指彎曲和膝蓋彎曲進(jìn)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，保持每次測(cè)試時(shí)彎曲幅度一致，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 AA25M2.5水凝膠基應(yīng)變傳感器人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)圖Fig. 9 The human motion detection on AA25M2.5 hydrogel based strain sensor

由圖9a可知，在手指彎曲過程中，水凝膠的長(zhǎng)度延伸，橫截面積縮小，電阻變大，從而導(dǎo)致電流信號(hào)的變化；而在手指由彎曲到伸直的過程中，水凝膠的長(zhǎng)度和橫截面積也逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，輸出信號(hào)也同樣回復(fù)到初始狀態(tài)。

由圖9b可知，在膝蓋彎曲過程中，傳感器監(jiān)測(cè)到的電信號(hào)變化表現(xiàn)出優(yōu)異的規(guī)律性，表明水凝膠基應(yīng)變傳感器的信號(hào)輸出穩(wěn)定且可重復(fù)。這為水凝膠基應(yīng)變傳感器運(yùn)用于人體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)提供了良好的理論依據(jù)。

5 結(jié)論

本文在固定APS與MBAA質(zhì)量比為10:1的情況下，改變MBAA的加入量，研究了交聯(lián)劑MBAA加入量的變化對(duì)水凝膠綜合性能的影響，可以得出如下結(jié)論：

1）斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂能和電導(dǎo)率都隨著MBAA含量的增加而下降；

2）水凝膠的拉伸回復(fù)性能隨著MBAA含量的增加而提高；

3）AA25M2.5水凝膠基應(yīng)變傳感器，具有穩(wěn)定且可重復(fù)的信號(hào)輸出和優(yōu)異的靈敏度（GF=1.76，ε=100%），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手指彎曲和膝蓋彎曲的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

因此，通過調(diào)整交聯(lián)劑的添加量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)性能的有效調(diào)控，并且制備的水凝膠基應(yīng)變傳感器在柔性可穿戴電子、智能醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)損傷監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。