导电水凝胶是制造柔性导电设备的理想材料,在可穿戴设备、人造皮肤和传感器等方面表现出巨大的应用潜力[1]。本工作以NaCl水溶液作为纤维素的不良溶剂,实现对再生纤维素聚集态结构的调控,进而形成纤维素水凝胶的网络结构,并利用网络结构中的NaCl水溶液实现离子导电。在室温以及较为恶劣的环境中,纤维素离子导电水凝胶可组装成为在传感器以及纳米摩擦发电机(TENG),显示出良好的应用前景。
将纤维素溶解于苄基三甲基氢氧化铵水溶液中,随后加入环氧氯丙烷进行化学交联,最后浸于NaCl水溶液中再生,可直接制得纤维素/NaCl导电水凝胶(CICH)。作为不良溶剂的NaCl的浓度对凝胶聚集态结构起主导作用,进而调控CICH的力学性能、导电性以及低温抗冻性能等。在室温下,CICH均显示出良好的光学透明性和低温抗冻性,其在550 nm处的透明性都超过94%,在-20到30oC均未发生明显相变。同时,NaCl浓度为3 M时的CICH具有最高的断裂伸长率、拉伸强度以及导电率,分别为234%、5.3 MPa和4.03 S/m。值得一提的是,即使在-24oC的恶劣条件下,CICH仍然可以保持良好的透明性、柔韧性和导电性。CICH可分别应用于电阻型温度传感器、电阻型拉伸传感器和电容型压缩传感器,能够对多种外界刺激发生响应,具有瞬时性、可逆性、可重复性。如图2d-f,CICH-TENG作为能量采集器,可在较宽温度范围内使用,具有易储存和耐用性。此外,CICH-TENG还可作为触觉传感器,最低检出限不高于0.392 kPa。本工作极大拓展了纤维素材料在柔性可穿戴电子器件领域的应用。
全文链接:Transparent, conductive cellulose hydrogel for flexible sensor and triboelectric nanogenerator at subzero temperature