图文摘要：

《先进材料》：新型高拉伸可编织离子导体——有机水凝胶纤维

总体介绍：在中国科学院与科睿唯安公司联合发布的《2018研究前沿》报告中，“可拉伸材料和器件”被列为化学与材料科学领域第三大前沿热点。可拉伸导电纤维更是下一代柔性电子设备的关键组成部分。但是现有的大多数导电纤维是基于不透明、刚性的电子导体制备的，拉伸性能差，在拉伸过程中导电性能会明显下降。因此近年来可拉伸、柔软、透明的离子导电水凝胶纤维引起了广泛的关注，但是水凝胶纤维存在连续制备困难、易失水、易结冰等问题，限制了其应用。据此，我团队研制了全新一代的高拉伸透明导电纤维——有机水凝胶纤维，有效地解决了上述问题，展示了良好的应用前景。相关成果近日以“Mechanically and Electronically Robust Transparent Organohydrogel Fibers”为题，发表于材料学领域国际顶尖学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)。我团队硕士生宋建春是论文的第一作者，博士生陈硕是论文的共同第一作者，游正伟教授是该论文的通讯作者，管清宝副教授是该论文的共同作者。

双网络策略实现有机水凝胶纤维的连续高效制备

该团队设计了一种离子络合和共价杂化交联的双网络策略实现了水凝胶纤维的湿法纺丝连续制备，然后通过甘油/水混合溶剂置换，制备了有机水凝胶纤维（图1）。具体以聚乙二醇双丙烯酸酯、丙烯酸羟乙酯和海藻酸钠为主体构建纺丝液，海藻酸钠和凝固浴中的Ca²⁺快速络合，形成第一重离子络合交联网络，实现了纤维快速成型；接着在紫外光照下，丙烯酸酯类光聚合交联形成第二重共价交联网络，赋予其良好的力学性能；然后通过甘油/水（CaCl₂，KCl）溶液进行溶剂置换，获得了有机水凝胶纤维，赋予了其优异的保水和抗冻性能，同时Ca²⁺进一步加固离子络合交联网络，并和KCl一起赋予纤维离子导电性。

图 1有机水凝胶纤维的设计和制备

有机水凝胶纤维的优异性能

有机水凝胶纤维设计的关键是其中甘油、水和聚合物网络之间形成了氢键，从而使其抗冻和保水性能显著优于水凝胶纤维（图2）。在室温至-100  C温度范围内没有看到明显的结冰，-80  C下仍然保持良好的透明性、可拉伸性（>300%）和导电性。同时在20  C和45%湿度的条件下放置22 h、70  C和25%湿度的条件下放置100 min分别可以保持85%和70%的水分，在自然条件下放置5个月仍然可以导电点亮LED灯。

图 2有机水凝胶纤维抗冻性和保水性明显优于水凝胶纤维

共价网络主导的双网络结构赋予了有机水凝胶纤维优异的弹性和电学稳定性（图3）。有机水凝胶纤维可耐受4倍拉伸，在3倍循环拉伸情况下，基本没有滞后现象，因此可以对马达这样的高频、高速运动(4 Hz，24 cm / s)进行实时监测，性能明显优于已报道的导电纤维。同时有机水凝胶纤维在50%循环拉伸1000次的过程中展现出稳定的电学性能，而对应的水凝胶前体纤维，由于快速失水，电学信号出现了明显的飘移。

图 3 有机水凝胶纤维优异的力学和电学性能

有机水凝胶纤维的多领域应用

有机水凝胶纤维由于如上所述的优异性能，在多个领域展示了良好的应用前景(图4)。作为可拉伸柔性电极和光纤，可以采集生物电信号、用于光疗等。同时可以编织制备可穿戴应变传感器，监控人体的运动，进而可以构建智能电子数据手套，用于人机交互等应用。

图 4有机水凝胶纤维多应用展示

工作小结

该工作通过设计杂化交联双网络策略，既实现了水凝胶纤维的高效连续制备，又获得了优异的拉伸性和回弹性；进而采用甘油和水的混合溶剂，解决了凝胶类材料的保水抗冻的难题；最终研制了一种全新的力学和电学性能优异的透明可拉伸导电纤维。为可拉伸导体的设计制备提供了新思路，在可穿戴设备、生物医学、人工智能等领域具有良好的应用前景。该工作获得了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志计划等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.201906994