Page 25 - 《精细化工》2021年第6期

第 6 期 王思恒，等: 抗冻水凝胶的制备及其在柔性电子领域的应用 ·1087·

图 6 PVA 水凝胶基超级电容器在不同温度下可逆循环的电化学性能（a）；PVA 水凝胶基超级电容器在–20 ℃时的循环
使用性能(b) [51] ；MMT/PVA 基超级电容器在不同柔性条件下的恒电流充放电（GCD）曲线（c）；超级电容器在
不同弯曲角度下的 GCD 曲线（d）；超级电容器的柔性稳定性评价（e） [54]
Fig. 6 Electrochemical properties of PVA hydrogel-based supercapacitors for reversible cycling at different temperatures (a);
Cycling performance of PVA hydrogel-based supercapacitors at –20 ℃ (b) [51] ; GCD curves of the MMT/PVA-based
supercapacitor under different flexible condition (c); GCD curves of the supercapacitor under different bending angles
(d); Flexible stability evaluation of the supercapacitor (e) [54]

利用有机溶剂（如 EG、DMSO 等）改性水凝 升水凝胶导电性能和机械性能。随后，采用溶剂置
胶，会导致凝胶的离子电导率降低，严重削弱其电 换的方法将 EG 引入到水凝胶中，赋予水凝胶抗冻
化学性能，因此，提升抗冻水凝胶的导电性能是将 性能。得到的水凝胶在–40 ℃具有良好的柔韧性和
其应用在超级电容器的关键。另外，难降解的合成 导电性，并且具有长达 8 d 的保水性能，在硼砂与
高分子材料已经带来了严重的环境问题，开发天然 PVA 动态共价交联以及 EG、PVA、MXene 三者的
可降解的高分子聚合物代替合成聚合物可能是有效 相互作用下，水凝胶具有较好的自愈合能力（图 7d）。
的解决办法。 并且以该抗冻水凝胶组装成的应变传感器在–40 ℃
2.2 传感器 的环境温度下，应变感应范围达到 350%，应变系数
水凝胶因其优异的柔韧性和可调的机械性，作 (GF 2 )达到 44.85（图 7e）。另外，WU 等 [58] 采用一步
为柔性可穿戴传感器显示出巨大的应用潜力，在电 聚合法，合成具有导电性能的 PAAm/卡拉胶双网络
子皮肤、人体健康检测和人机交互等方面备受关注， 水凝胶，然后将其浸泡在 EG 溶液中进行溶剂置换，
具有抗冻性水凝胶的出现可以满足水凝胶传感器在 赋予其防冻抗冻性。发现得到的水凝胶在–18 ℃的
低温环境下的应用需求 [55] 。 拉伸应变可达到 950%。基于该水凝胶的应变传感器
TONG 等 [56] 采用过硫酸铵（APS）引发烯丙基 在–18 ℃下的应变感应范围为 0.5%~400%，应变系
纤维素自由基聚合和 NaCl 诱导物理交联的方法，制 数为 6（图 7f），并且该水凝胶传感器在环境空气中
备了抗冻双交联纤维素离子水凝胶。结果发现，水 放置 9 个月后仍然保持有应变感应能力。LI 等 [59]
凝胶在–24 ℃时的拉伸应变可达 100%（图 7a）；以 报道了一种具有抗冻性、保水性和可重塑性的水凝
其设计的传感器的应变系数为 0.297，可以监测人体 胶基温度传感器，将 Gly 和银纳米线（AgNWs）引
手指的活动（图 7b）；在环境温度为–24 ℃、拉伸形 入到 PVA 水凝胶中使得水凝胶传感器具有防冻保湿
变为 50%、循环 14 次后，传感器仍有良好的应变敏 性，在可逆的物理交联作用下，传感器具有优良的
感性（图 7c）。LIAO 等 [57] 采用纳米复合的方式，将 重塑能力，并且传感器的温度感应范围在 5~55 ℃，
过渡金属碳/氮化物（MXene）二维层状纳米片引入 温度响应时间约为 1 s，相较于商用温度计，其测量
到硼砂交联的 PAAm/PVA 双网络水凝胶中，用来提 误差低于 2 ℃，具有较高的精度（图 7g）。