成果简介
近年来，利用导电水凝胶的水下可穿戴传感器备受关注。然而，大多数水凝胶对机械应变的响应灵敏度（以量规因子（GF）量化）在浸入水中时会明显降低，而且人们很少考虑传感器在空气中和水下工作时的量规因子值。因此，在水下环境中开发高灵敏度的水下传感器仍然是一项挑战。本文，齐鲁工业大学卢璐 副教授、Bo Cui等研究人员在《Sustainable Materials and Technologies》期刊发表名为““Soaking-in-water” strategy stimulated starch/poly(vinyl alcohol)-based flexible hydrogel with heterogeneous network for highly sensitive underwater wearable sensor”的论文，研究提出了一种 “水中浸泡 ”的策略，以提高基于淀粉/聚乙烯醇/氧化石墨烯/离子液体水凝胶的可穿戴传感器的灵敏度。通过这种方法，水凝胶在水下的最大 GF 值提高到了 9.71，与未浸泡的水凝胶（GF 值为 5.20）相比提高了 86.7%。
此外，水凝胶还表现出了可调节的导电性（从 0.26 到 1.82 S-m-1）和拉伸性能（从 244% 时的 0.05 兆帕到 527% 时的 0.21 兆帕）。水凝胶经历了吸水膨胀、离子液体渗出和拒水收缩的过程。水凝胶灵敏度的提高和溶胀机理与水凝胶和浸泡水之间的离子和水运动密切相关。利用这些特性，我们进一步开发了一种水下应变传感器，能够在水下监测人体运动，并提供快速、有效和稳定的信号传输。所提出的浸泡方法为提高水凝胶传感器的灵敏度提供了一个前景广阔的途径，为实现精确、高效的水下监测应用提供了一种简便的策略。
图文导读
图1.（a）先前和（b）“浸泡在水中”水凝胶溶胀机理示意图。（c） SP、SPG和SPGI水凝胶的溶胀曲线。（d） 不同GO含量的SPGI水凝胶的溶胀曲线。（e） 不同离子液体含量的SPGI水凝胶的溶胀曲线。（f）SP和SPGI水凝胶溶胀60小时前后的数码照片。
图2.SPGI水凝胶在纯水中浸泡不同时间的EIS曲线（a）和相应的电导率（b）。
图3.SPGI水凝胶浸泡溶液在不同时间的ATR-FTIR光谱
图4.SPGI水凝胶的溶胀过程和溶胀机理图示
图5.（a）SPGI水凝胶在30%和50%应变下的连续10倍压缩循环曲线。（b） 不同按压下压力随时间的变化。（c） SPGI水凝胶在50%压缩应变下的应力和滞后能。（d）SPGI水凝胶，膨胀60小时后载重500g。（e）SPGI水凝胶在膨胀60小时后拉伸，扭曲和打结的图像。（f）SPGI水凝胶在膨胀60小时后抵抗锋利刀片刺穿。（g）SP和SPGI水凝胶在50%的应变下膨胀60小时的压缩和回弹过程图像。
图6、溶胀SPGI水凝胶的传感性能
图7.（a） 水凝胶传感器在10%至100%不同伸长率下电阻信号的变化。（b） SPGI水凝胶传感器的响应时间和恢复时间。（c） 在100%应变下，空气中1000次的实时相对阻力变化。（d） SPGI水凝胶传感器在水下运动检测中的潜在应用。SPGI水凝胶传感器的实时相对阻力变化，用于水下检测弯曲（e）肘部、（f）膝盖、（g）肩部、（h）臀部、（i）颈部和（j）腰部。
小结
在本研究中，我们提出了一种 “水中浸泡 ”方法来提高 SPGI 水凝胶传感器的灵敏度，为开发高灵敏度的水下可穿戴传感器提供了一种简便的方法。我们对 SPGI 水凝胶在水中的组成和结构演变进行了研究，发现与之前记录的水凝胶溶胀过程相比，其结果截然不同。通过系统分析 SPGI 水凝胶的溶胀行为、电导率、机械性能和灵敏度的变化，我们观察到一系列过程，包括吸水溶胀、离子液体渗出和拒水收缩。这些过程导致水凝胶在浸水后内部网络结构和离子传输通道发生变化。水凝胶的水下 GFmax 显著提高到 9.71，与未浸泡的水凝胶（GFmax 为 5.20）相比提高了 86.7%。此外，水凝胶还表现出了可调节的导电性（0.26 至 1.82 S-m-1）和拉伸性能（伸长率为 244% 时为 0.05 兆帕，伸长率为 527% 时为 0.21 兆帕）。利用这些进步，我们进一步开发了水下应变传感器，能够在水下条件下实时灵敏地监测人类活动。这项研究不仅为开发多功能、高灵敏度的水凝胶传感器提供了一个基础理论框架，而且对推进高效的海洋勘探工作具有重要意义。
文献：https://doi.org/10.1016/j.susmat.2024.e01049
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