纤维素基有机水凝胶柔性传感器的研究进展

“ 有机水凝胶”由于两种具有完全相反特性的成分（亲水 / 亲油组分）之间的协同作用，有机水凝胶表现出独特的物理化学性质和出色的环境适应性，远远超过目前的合成水凝胶，包括耐温性、抗溶胀、可切换制动性、自适应润湿性和相反组分兼容性，促进了凝胶材料在各种复杂条件下的应用，在可穿戴设备、人机界面、能量收集及存储和健康监测等领域越来越受到广泛关注 [1-3]。 但是，大多数有机水凝胶都是由石油基材料制成的，这些材料不具有或生物降解性较低，不可避免地会导致资源枯竭、废物积累和温室气体排放，难以实现《巴黎协定》规定的到 2030 年减少 30% 二氧化碳排放。因此，基于可再生和环境可持续材料制造性能优异的有机水凝胶成为新的研究热点。本文介绍了纤维素基有机水凝胶的最新研究进展，重点介绍了其制备方法及其在柔性传感器中的应用现状。

1 纤维素基有机水凝胶（COH）

1.1 纤维素的分子和结构优势

纤维素因其独特的结构特性和丰富的天然储量，在 COH 领域具有很高的应用潜力：（1）纤维素的天然丰度和生物降解性使其适于开发环保 COH；（2）纤维素的极性羟基充足，可引入多种官能团，有利于加工和离子迁移；（3）丰富的羟基形成强分子间和分子内氢键，有助于纤维素制备力学性能优异的 COH；（4）纤维素材料天然衍生的层级结构赋予其丰富的可调力学和离子性能，扩大了其应用范围；（5）此外，还可以通过调节纤维素材料的疏水性和两亲性来设计非均相结构，以促进离子电导率。

1.2 COH 的制备

目前提出的 COH 主要制备策略是将纤维素原料加工为溶液或悬浮液（溶解的纤维素或纳米纤维素，然后通过交联或聚合加工为COH。

（1） 含纳米纤维素的的COH

目前，纳米纤维素主要用于增强水凝胶系统的机械性能。例如，Yuhang Ye 等将溶解分散在二甲基亚砜 - 水溶剂体系中的聚乙烯醇和CNF 通过溶胶 - 凝胶法制备有机水凝胶，再浸入 ΔNaCl 溶液中得到离子导电有机水凝胶，具有优异的耐冻性，拉伸性高达 660% ，强度高达 2.1MPa 。

（2） 由溶解纤维素制成的COH

由于溶剂的阴 / 阳离子与纤维素的羟基之间的强相互作用，纤维素的氢键网络被破坏，纤维素可以快速完全溶解成单分子链。目前研究的大多数纤维素溶剂都含有盐，将纤维素溶解再生成为制备 COH的理想选择。

2 COH 在柔性传感器中的应用

由于良好的可再生性、高机械性能、高离子电导率、高光学透明度和环境稳定性，COH 已被广泛应用于各种应用，包括传感器、储能、电致变色显示器等。由于其柔韧性、可穿戴性和环境稳定性，COH在传感器中有较好的应用。

2.1 应变传感器

应变传感器可以通过特定的传感机制将拉伸、压缩等机械刺激转化为电信号，并被广泛用于通过检测心跳和肌肉运动等生命体征来监测人类的健康状况。一般来说，应变传感器是基于电阻和电容设计的，能够将机械变形转换为电信号，实现实时监测。

2.2 湿度传感器

尽管已经开发出多种湿度传感器，但它们仍然存在一些问题，包括刚性和脆性、复杂的制造过程以及废弃后的环境问题。纤维素含有丰富的羟基，可以通过氢键与水分子相互作用，由于水对离子的扩散和浓度具有显著影响。

2.3 温度传感器

传统的温度传感器是通过将传感材料喷涂或沉积到刚性基材上而制成的，变形性和光学透明度有限，因此很难满足人造皮肤和软电子产品等先进应用的要求。COH 因其良好的变形性、高透射率和离子电导率较为适用于制备柔性温度传感器。

3 总结与展望

COH 已广泛地应用于应变传感器、湿度传感器、温度传感器等。尽管广大研究者已经在该领域取得了一定的进展，但仍然存在一些挑战。

（1）COH 的离子电导率、灵敏度、机械性能的测试条件缺乏统一标准，无法准确比较不同研究组开发的 COH 的性能，亟需统一相关标准。

（2） 借助分子模拟可以深入了解材料的化学性质及其微观结构对整体宏观性能的影响，有助于开发具有良好理化性能的新型 COH，但相关研究未见报道。

（3） 在环境可持续性、传感性能、机械性能和长期稳定性之间取得平衡仍然是COH 面临的主要挑战。

参考文献

[1]Zhang Weixuan， Zhang Yan， Yang Guangzhao， et al. Wearable and self-powered sensors made by triboelectric nanogenerators assembled from antibacterial bromobutyl rubber [J]. Nano Energy， 2021， 82： 105769.

[2]Gogurla Narendar， Kim Sunghwan. Self-Powered and imperceptible electronic tattoos based on silk protein nanofiber and carbon nanotubes for human–machine interfaces [J]. Advanced Energy Materials， 2021， 11（29）： 2100801.

[3]Zhong Mengjuan， Zhang Lijuan， Liu Xu， et al. Wide linear range and highly sensitive flexible pressure sensor based on multistage sensing process for health monitoring and human-machine interfaces [J]. Chemical Engineering Journal， 2021， 412： 128649.

作者简介：韩滟琳、2006、女、本科生在读、上海市、主要从事柔性传感器件的开发。

通讯作者：赵红、1992、女、博士、讲师、河南省、从事废旧纺织品在柔性可穿戴中的高值化利用。