高强度离子导电凝胶

前言：与碳材料和金属相比，离子导电凝胶具有可以移动的自由离子，在大变形或拉伸状态下表现出最小的电阻变化，同时其柔性良好，对可见光的透明度高，这些优点使得离子导电凝胶被广泛应用于电子皮肤、人机交互及生物医药等领域。但是，离子导电凝胶力学性能差，因而应用受到限制，为此研究人员通过添加纳米填料、无机盐和有机盐、聚电解质的方法来提高其力学性能。三种离子导电凝胶1.纳米复合离子导电凝胶：将纳米填料（包括氧化石墨烯（GO）、纳米黏土、聚合物纳米填料等材料）本身的特性与离子导电凝胶的软湿性能相结合，从而改善了离子导电凝胶的力学性能。但是纳米填料与亲水凝胶的不相容性仍未解决，GO复杂的氧化工艺以及聚合物纳米填料制备过程和形态难以控制的问题,导致纳米复合离子导电凝胶难以实现大规模应用，因此应在材料设计、有效利用和提高纳米材料性能方面进行改进。2.盐离子导电凝胶：通常采用无机盐（NaCl、硫酸铵等）、有机盐（盐酸羟胺、离子液体等）材料来制备。盐可以电离出阳离子和阴离子，另外这些材料成本低、简单易得并且在一定程度上可以提高离子导电凝胶的力学性能。

制备盐离子导电凝胶时，无机盐浸泡过程中盐离子的缓慢渗透影响了盐离子导电凝胶的广泛应用；离子液体的毒性和高制造成本使其应用受到限制，因此开发价格低廉、无毒、可广泛应用的盐离子导电凝胶是未来的研究方向。3.聚电解质离子导电凝胶：是一种具有带电基团或可电离部分的聚合物凝胶网络。离子的导电性或迁移性是聚电解质离子导电凝胶的一个重要特征，其中离子携带电流，因此聚电解质离子导电凝胶可用于开发柔性和可拉伸电子设备。聚电解质离子导电凝胶可以使用天然聚电解质和合成聚电解质制备。

聚电解质离子导电凝胶具有生物相容性好等优点，但目前在动物体内的应用实验较少，在人体内的生存性能还有待研究，未来应进一步提高凝胶的再生性能，以促进细胞的扩散、增殖、分化，扩大凝胶在人体中的应用。三种导电凝胶制备方法及特点1.Mao等以聚丙烯酸（PAA）和GO原料，采用一步原位聚合法制备了可用于传感器的纳米复合离子导电凝胶PAA-GO。

PAA-GO具有优异的力学性能、高拉伸性（应变高达1185.53%）和高拉伸强

(391.21kPa)。由于双重交联效应，Fe3+离子与PAA和GO的羧基官能团之间的离子配位键,以及PAA的极性官能团与PAA和GO含氧官能团之间的氢键，使得凝胶具有优异的力学性能。2.将GO、聚乙烯醇(PVA)、阳离子壳聚糖在水和甘油中共混，制备了一种双物理交联的纳米复合离子导电凝胶。PVA与甘油形成氢键，阳离子壳聚糖与GO通过静电作用交联，最终形成具有互穿网络结构的纳米复合离子导电凝胶。氯离子的引入使纳米复合离子导电凝胶具有高应变灵敏度，因此可用于可穿戴应变传感器。3.将弹性聚合物和导电聚合物在胶体水凝胶支架内通过分离和顺序聚合的方法，制备了具有高导电性和优异力学性能的多网络纳米复合离子导电凝胶。纳米复合离子导电凝胶的拉伸性能好，其弹性模量为15kPa，机械应变可达800%。纳米复合离子导电凝胶的导电率可达26S/m，其导电性能已经超过生物细胞工程特定的导电性能，可以模拟细胞外基质并且用于增殖和分化人类诱导的多能干细胞。4.将生物相容性羟丙基纤维素（HPC）嵌入物理交联的PVA水凝胶中，通过NaCl溶液浸泡制备出导电性和机械性能优异的

HPC/PVA离子导电凝胶

，HPC/PVA离子导电凝胶与天然橡胶非常类似，可以很容易地调控机械性能和导电性。HPC增强了离子导电性能，导电率达到3.4S/m。HPC/PVA离子导电凝胶可以作为3D打印的机器人的人工神经，稳定地传递交流电和直流电信号。5以聚丙烯腈(PAN)、盐酸羟胺为原料制备了具有良好力学性能的自供电离子导电有机凝胶。由于PAN和盐酸羟胺反应生成了酰胺肟基团，凝胶中产生了丰富的氢键以及大分子链的缠结使得凝胶具有良好的力学性能。另外PAN聚合物链的压电效应使得离子导电凝胶具有自供电的能力，该凝胶可用于自供电离子皮肤，离子皮肤可安装在人体不同部位，将机械信号准确地转换为电信号可用于监测人体的生理和运动信号。6.制备了具有交联螺旋结构、疏水缔合和金属离子配位的新型双网络离子导电凝胶。双网络离子导电凝胶由第1个双股κ-卡拉胶（κ-CG）螺旋网络和第2个网络组成，第2个网络由功能性三嵌段共聚物胶束和多价配位交联。胶束提高了双网络离子导电凝胶的拉伸性能和抗压缩载荷的疲劳性能，第2个网络中的金属离子配位和交联被用于进一步提高凝胶的拉伸强度和韧性，拉伸强度可达2.7MPa，断裂应变为1400%，拉伸韧性可达9.82MJ/m3。7.设计了一种拉伸行为与天然皮肤相近的离子皮肤（MiS），MiS由新型多功能丙烯酰胺/淀粉双网络水凝胶组成。MiS的拉伸应变可达1100%，同时它可以恢复皮肤触觉感知功能，能够促进伤口的再生。结语通过添加纳米填料、无机盐和有机盐、聚电解质对离子导电凝胶进行改性，制备了纳米复合离子导电凝胶、盐离子导电凝胶以及聚电解质离子导电凝胶，这3种离子导电凝胶都具有粘附性、高力学性能、导电性和透明性等特点。与其他2种离子导电凝胶相比，纳米复合离子导电凝胶具有更好的电导率、相对较高的灵敏度以及优良的力学性能，但是纳米填料和水凝胶网络之间具有不相容性且难以解决；盐离子导电凝胶具有良好的导电性和抗冷冻性，但是盐离子的缓慢渗透影响了凝胶的应用；聚电解质由于良好的生物相容性及环境友好性使用最为广泛，但有关其在人体内的应用研究较少，可作为未来的研究方向。离子导电凝胶是一种发展迅速的新型功能材料，对于温度、湿度、压力比较敏感，因此在人体体温监测、电子皮肤等方面具有广阔的应用前景。离子导电凝胶的电化学反应发生在凝胶和金属电极之间的界面，导致凝胶中的电流随着时间的推移