近日，杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院研究人員在國際期刊《Microchemical Journal》（中科院二區(qū)，影響因子IF=4.9）發(fā)表了題為"A PVDF-based organohydrogel for self-powered and anti-freezing sensor in electronic skin"的研究性論文。在該論文中，研究人員利用上海騰拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀用于測定有機(jī)水凝膠的機(jī)械性能和抗疲勞性能等指標(biāo)。

自供電壓電傳感器能夠有效解決電子皮膚的供電問題。然而，制造出模量與人類皮膚相似的柔性傳感器仍然頗具挑戰(zhàn)性。本文報(bào)道了一種基于聚偏氟乙烯（PVDF）的有機(jī)水凝膠作為電子皮膚用壓電傳感器。聚乙烯醇（PVA）構(gòu)成主要網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)了 PVDF 中電活性 β 相的形成，并確保了有機(jī)水凝膠傳感器的壓電性能。聚丙烯酸（PA）通過與 PVA 形成氫鍵來增強(qiáng)交聯(lián)密度和機(jī)械性能，同時(shí)還充當(dāng)膠凝劑以減少 PVA 結(jié)晶。此外，有機(jī)溶劑二甲基亞砜（DMSO）被引入，為傳感器賦予抗凍性能。該有機(jī)水凝膠在 100 次壓縮加載 — 卸載循環(huán)后展現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。而且，有機(jī)水凝膠壓電傳感器有著令人矚目的約 8 毫秒的響應(yīng)時(shí)間以及 0-30N的寬壓力范圍。再者，該壓電有機(jī)水凝膠表現(xiàn)出出色的抗凍性能，即便在低溫下冷凍 10 天之后仍能保留其機(jī)械和壓電特性。基于 PVDF 的有機(jī)水凝膠已被證實(shí)，在無需外部電源的情況下，對于人體運(yùn)動(dòng)檢測有著重大的應(yīng)用潛力。

機(jī)械性能對于壓電有機(jī)水凝膠作為傳感器在電子皮膚中的應(yīng)用尤為重要。為了研究聚丙烯酸（PA）對有機(jī)水凝膠機(jī)械性能的影響，我們對含有不同聚丙烯酸含量的有機(jī)水凝膠的彈性性能進(jìn)行了測試。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中可以觀察到，PVA- PVDF_1.8 - PA_0.2 有機(jī)水凝膠表現(xiàn)出較低的抗壓能力，在受到 45% 的壓縮應(yīng)變時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂。相比之下，PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 展現(xiàn)出了更強(qiáng)的機(jī)械性能，因?yàn)樗軌虺惺芨哌_(dá) 0.17 Mpa的應(yīng)力而不會(huì)破裂。隨著PA含量從 0.2 增加到 0.5，有機(jī)水凝膠的壓縮強(qiáng)度和模量也隨之增加。這種性能的改善歸因于PA中羥基所促成的眾多氫鍵，這些羥基會(huì)與PVA中的羥基發(fā)生物理交聯(lián)。這些增強(qiáng)的分子間相互作用顯著地改善了PVA- PVDF_X - PA_Y 型有機(jī)水凝膠的機(jī)械性能。與PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 相比，PVA- PVDF_1.8 - PA_0.8 的抗壓強(qiáng)度有所下降，這表明隨著PA含量進(jìn)一步增加，有機(jī)水凝膠的機(jī)械性能出現(xiàn)了下滑。隨著PA過量增加，更多的氫鍵形成，這會(huì)減少PVA內(nèi)部分子間的氫鍵，進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得疏松。為了進(jìn)一步探究有機(jī)水凝膠的機(jī)械耐久性，我們對在應(yīng)力測試中表現(xiàn)最佳的PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 有機(jī)水凝膠進(jìn)行了循環(huán)加載 — 卸載測試。PVA- PVDF_1.8 - PA_0.5 有機(jī)水凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性和抗疲勞性能十分出色，這從其經(jīng)過 100 次循環(huán)后仍保持一致的曲線（疲勞測試）便可得到證明。在 50% 的壓縮應(yīng)變下，該有機(jī)水凝膠的應(yīng)力曲線在經(jīng)過 100 次壓縮加載 — 卸載循環(huán)后僅顯示出微小的滯后現(xiàn)象。