中山大学吴进课题组：高度可拉伸，自修复和抗干燥的双网络有机水凝胶湿度传感器

高分子科学前沿材料化学快讯

目前，可穿戴电子器件的蓬勃发展，其性能要求已经从柔性提高到可拉伸性、自修复性和透明性。湿度是和我们的健康和日常舒适度紧密相关的重要变量，但在可拉伸传感系统中鲜有研究报道。相比传统的纳米材料或复杂的微加工结构，寻求本征可拉伸的材料无疑是一大突破口。水凝胶因具备超强拉伸性，体系丰富，生物兼容性好和制备成本低等天然优势，已经成为可拉伸电子器件领域的研究热点，但一直受到易失水的问题困扰，水凝胶基电子器件的长期使用稳定性是目前亟需解决的重要难题。

中山大学吴进副教授团队利用水凝胶易失水导致其导电性变化的特点，制备了本征高度可拉伸的湿度传感器。利用溶剂置换策略，在水凝胶中引入保水、抗冻的乙二醇/丙三醇，将已合成的水凝胶转换为有机水凝胶，形成具有水-醇二元溶剂体系的聚丙烯酰胺/卡拉胶双网络有机水凝胶，赋予水凝胶传感器抗干燥特性，有效地解决了水凝胶失水变干的问题，延长器件的使用寿命和拓展器件的使用环境。另外，利用乙二醇/丙三醇分子上大量的羟基与水分子之间形成氢键，促进空气中的水分子在水凝胶上的吸附和凝结，大幅度提高了湿度传感器的灵敏度。

图1. 溶液置换法制备乙二醇/丙三醇-双网络有机水凝胶，并利用多元醇醇与水分子形成的氢键作用提高水凝胶的保湿性和湿度检测的灵敏度

图2.有机水凝胶的透明性、自修复性、拉伸性

聚丙烯酰胺/卡拉胶双网络水凝胶本身具备高度透明性，通过醇溶液置换后，透明度没有明显的退化；但力学强度得到加强；得益于卡拉胶双螺旋结构的解旋与重组，在完全断裂的情况下，一小时的加热保存即可得到修复后的水凝胶；此外该体系的双网络水凝胶具备超强的拉伸性，承受1225%拉伸应变仍未断裂。

图3.乙二醇/丙三醇修饰水凝胶前后抗干燥对比

未修饰的水凝胶一天内就失水变干，失去导电性。经过乙二醇/丙三醇修饰的水凝胶在40℃55%相对湿度的环境中放置50小时仍保持良好的柔性和拉伸性。经过一系列温度梯度、湿度梯度环境测试，修饰后的水凝胶仍具备导电性。通过对比研究发现，在温和（常温、高湿）的环境条件下，乙二醇修饰的水凝胶的保湿性较好；而在harsh的环境下（高温、干燥），丙三醇修饰的水凝胶的保湿性较好。

图4.水凝胶湿度传感器响应、应用和机理

乙二醇、丙三醇的引入极大提高了水凝胶湿度传感器的灵敏度，灵敏度提高了近40倍，检测范围宽（4%~90%RH），响应时间和恢复时间快达0.27s和0.30s,且长时间（一个月的）使用能维持性能稳定。因为响应速度极快，湿度传感器可用于连续监测人体呼吸频率，用于人体健康监测。

首次揭示了水凝胶湿度传感器的检测机理：聚合物链对离子运动的阻碍作用，聚合物链间隙中的自由水分子提供离子运输通道，环境湿度变化引起水凝胶聚合物链密度、通道容积变化，从而影响离子运输速度，导致电导率变化。本研究拓展了水凝胶的应用范围，为实现更加舒适、高性能的可穿戴电子器件提供了新的材料选择。

以上成果以题为“An intrinsically stretchable humidity sensor based on anti-drying, self-healing and transparent organohydrogels” 发表在期刊Materials Horizons上，本文的第一作者和通讯作者为中山大学吴进副教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广州市科技计划等项目的资助。

参考文献：DOI: 10.1039/C8MH01160E (Communication) Mater. Horiz., 2019, 6, 595-603

来源：高分子科学前沿