导电水凝胶在柔性可拉伸传感领域中的应用

李健烨,吴子轩,吴进

（中山大学电子与信息工程学院，光电材料与技术国家重点实验室，广东省显示材料与技术重点实验室，广东 广州 510275）

水凝胶由于内部高度交联的三维聚合物网络结构，往往具有良好的柔韧性与拉伸性。通过调整水凝胶内部的聚合物网络组分或分散介质，可以有效改善水凝胶的拉伸性能并赋予其新的特性［1］。导电水凝胶便是通过将导电物质引入水凝胶使其具备导电性。传统水凝胶常以绝缘的聚合物网络为骨架，网络内部储存大量的水分，这样的水凝胶往往导电性较弱或几乎绝缘。导电水凝胶的出现使得水凝胶在柔性电子皮肤、超级电容器、可穿戴电子设备等方面的应用成为可能［2-7］。

1 导电水凝胶

水凝胶主要由三维聚合物网络和溶胀其中的分散介质组成，因此水凝胶的导电性也主要源自这两部分。根据导电性来源的不同，导电水凝胶可以分为导电基质型水凝胶与导电介质型水凝胶。

1.1 导电基质型水凝胶

导电基质型水凝胶主要通过引入导电聚合物到水凝胶中来实现。常见策略是通过自组装或者加入特定交联剂，使得导电聚合物与亲水性聚合物共聚，形成具有高导电性聚合物网络。Lee等［8］将丙烯酰胺与导电聚合物聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）共聚形成交联网络，制备了具有高导电性的可拉伸水凝胶。当PEDOT∶PSS的质量比为5.49%时，PEDOT：PSS-PAAm有机水凝胶的最大拉伸应变为525%，电导率可达到0.01 S·cm-1。四川大学冉蓉教授团队采用聚苯胺（PANI）作为导电聚合物，成功制备了一种以甘油-水为分散介质的聚乙烯醇/甘油/聚苯胺凝胶（PGA凝胶）［9］。PGA凝胶结构如图1（a）所示。PGA凝胶中的PVA分子链可增强凝胶的柔韧性，聚苯胺提供导电路径，甘油则可以防止冰晶在凝胶中生长。因此，PGA凝胶表现出极好的力学性能（断裂应变及断裂应力分别为472%和94 kPa）、高导电性（0.335 S·m-1）和防冻特性（-20℃）。Ren等［10］将吡咯单体与PEDOT：PSS分散体混合后使两者发生原位化学氧化聚合，形成了具备高导电性的PPy-PEDOT：PSS混合水凝胶，带负电荷的PSS和带正电荷的共轭聚吡啶之间的静电相互作用促进了PPy-PEDOT：PSS杂化水凝胶的形成，形成的PPy-PEDOT：PSS混合水凝胶的电导率为867 S·m-1，表现出优异的导电性能。

图1 PGA凝胶示意图［9］Figure 1 Schematic diagram of PGA gel

除了一开始就加入导电聚合物，使之与亲水聚合物/单体进行混合凝胶化外，还有一种方法策略是在预成型的水凝胶中通过原位聚合形成导电聚合物网络。导电聚合物网络与基质网络形成互穿或者半互穿的双网络结构，其中基质网络作为骨架对水凝胶起到支撑作用，而导电聚合物网络则提供导电通道［11］。Cong等［12］基于这一原理，提出了一种PANI/CS-PAAm导电双网络水凝胶，水凝胶内部动态交联壳聚糖（CS）和掺杂聚苯胺的柔性聚丙烯酰胺网络通过羟基、酰胺和苯胺基团之间的氢键构成导电双网络，该水凝胶具有优异的力学性能、显著的导电性和抗冻性。马年方等［13］以海藻酸钠盐（SA）和丙烯酰胺（AA）为原料，通过互穿网络聚合制备了PAA/SA水凝胶，进一步研究了丙烯酸含量、反应温度、CaCl2含量等对水凝胶性能的影响。研究表明，在丙烯酸质量分数为10%、反应温度为80℃、CaCl2质量分数为0.5%、海藻酸钠与丙烯酸的质量比为1.5∶8的最佳制备条件下，制备得到的水凝胶具有很好的溶胀性能与力学性能。Malcolm等［14］以三氯化铁、共价交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）和导电化合物（DCh-PPy）为原料，通过丙烯酸（AA）的自由基聚合制备得到导电自修复水凝胶，其结构如图2所示。首先将聚吡咯（PPy）接枝到双键修饰的壳聚糖（DCh）上形成聚吡咯接枝壳聚糖（DCh-PPy），接着在DCh-PPy和Fe3+的存在下丙烯酸（AA）单体发生化学聚合，而DCh-PPy则在Fe3+的存在下发生原位聚合形成物理交联网络。得到的双网络水凝胶在加入35%的MBAA交联剂的情况下，其具有接近2000%的最大拉伸应变、导电率可达到24 S·cm-1，具有高导电性和优异的力学性能；水凝胶在受到切割后的2 min内机械性能完全恢复，在30 s内电学性能可以恢复到原来的90%，具有良好的损伤自修复特性。

图2 CSH水凝胶的结构［14］Figure 2 Illustration of the structure of the CSH hydrogel

除了引入导电聚合物来赋予水凝胶导电性外，也有部分研究者选择采用石墨烯自组装的策略制备导电水凝胶。清华大学石高全课题组［15］利用水热法对氧化石墨烯水分散体进行还原处理，制得的石墨烯水凝胶机械强度高、导电性能和热稳定性好，导电率可达到5×10-3S·cm-1、弹性模量约为0.29 MPa、屈服应力约为24 kPa，可与各种化学交联聚合物水凝胶相媲美。自组装石墨烯水凝胶形成机理如图3所示。

图3 自组装石墨烯水凝胶形成机理［15］Figure 3 The proposed formation mechanism for self-assembled graphene hydrogel

1.2 导电介质型水凝胶

导电介质型水凝胶与导电基质型水凝胶不同，其是通过引入导电盐、导电颗粒、碳纳米管等填充物到水凝胶中，从而对水凝胶的导电性能进行改善。

水凝胶内部三维网络骨架和连续水相为离子迁移提供了丰富的路径，通过将导电盐溶解在水凝胶水相中是制备导电水凝胶常见的方法之一。Zhou等［16］通过将羟丙基纤维素（HPC）纤维包埋的聚乙烯醇（PVA）水凝胶浸泡在NaCl溶液中，制备了一种新型的类橡胶离子导电水凝胶（HPC/PVA）。HPC/PVA离子导电水凝胶中的HPC浓度越高，水凝胶中的孔隙越多，吸附的离子也越多，大大提高了水凝胶的导电性能。Yang等［17］通过一锅法合成了一种耐冻性强的双网络聚（N-羟甲基丙烯酰胺）/明胶/甘油超分子导电水凝胶，其中聚（N-羟甲基丙烯酰胺）可以自交联，并与明胶相互作用。甘油使导电水凝胶具有力学和防冻性能，并且还可以与聚（N-羟甲基丙烯酰胺）和明胶相互作用，进一步提高机械性能；水凝胶内部的KCl无机盐则起到增强导电性能的作用，随着KCl浓度的增加，凝胶的拉伸强度和断裂能略有增加，弹性模量和断裂能基本保持不变，离子电导率明显提高。Das等［18］通过将Fe3+离子引入聚（4-苯乙烯磺酸-甲基-尿嘧啶咪唑）氯化物（PSS-MUI）/明胶网络，开发了一种新型的双网络导电水凝胶，这些网络通过多个超分子交联（即氢键、静电和金属的配位作用）而紧密结合。PSSMUI/明胶水凝胶的电导率为0.16 S·m-1，加入Fe3+（PSUGF）后电导率显著提高（图4），PSUGF-1、PSUGF-2及PSUGF-3的电导率分别为6.8、9.1和10.3 S·m-1，这些值优于其他离子导电凝胶的导电性能［18-23］。图4为PSUGF水凝胶的电导率及延伸性能。

图4 PSUGF水凝胶的电导率及延伸性能［18-23］Fgure 4 Electrical conductivity and ductility of PSUGF hydrogel

金属纳米颗粒与碳基纳米材料由于其独特的结构和高导电性备受关注，部分研究者尝试通过将金属纳米颗粒或者碳基纳米材料引入水凝胶块体中，从而赋予其高导电性。Han等［24］将贻贝诱导的聚多巴胺碳纳米管作为纳米增强材料加入到水凝胶中，不仅赋予了水凝胶良好的导电性，而且增强了水凝胶网络。Alam等［25］通过原位聚合丙烯酸（AA）与石墨烯片制备了复合水凝胶，石墨烯的加入显著提高了材料的抗压强度以及导电性能。Maharjan等［26］将金/二氧化硅（Au/SiO2）杂化纳米颗粒（NPs）引入甲基丙烯酸明胶（GelMA）基质中，构建了具有机械强度和导电性的GelMA-Au/SiO2水凝胶。与纯GelMA水凝胶相比，多孔状的GelMA-Au/SiO2导电水凝胶表现出电气和机械增强特性（图5）。除此之外，Au/SiO2杂化NPs通过提高机械强度辅助控制溶胀和降解行为，直接/间接地支持了大鼠心肌细胞在GelMA-Au/SiO2导电水凝胶上的粘附和增殖（图6），这也揭示了导电复合水凝胶在心脏组织工程、伤口愈合［27］等其他生物医学应用中的潜力。

图5 纯GelMA水凝胶和含有不同数量杂化NPs的GelMA-Au/SiO 2水凝胶的数字图像和FESEM图像［26］Figure 5 Digital images and FESEM images of pure GelMA and GelMA-Au/SiO2 containing different amount of hybrid NPs

图6 CLSM显微镜图像显示H 9C2细胞在不同水凝胶上的附着和增殖［27］（使用DAPI Rhodamine-phalloidin 488染色细胞，分别可见细胞核（蓝色）和细胞骨架（红色））Figure 6 CLSM microscopic images showing H 9C2 cell attachment and proliferation on different hydrogels（in the images，cells were stained with DAPI and Rhodamine-phalloidin 488 to visualize nuclei（blue color）and cytoskeleton（red color）respectively）

导电介质型水凝胶与导电基质型水凝胶相比，可选用的导电介质众多，并且通过简单调控导电介质的含量和种类就能够调整导电水凝胶的性能，因此导电介质型水凝胶优势明显，应用也更为普遍。

2 柔性可拉伸传感应用

2.1 气体传感器

导电水凝胶由于其出色的柔性可拉伸特性及良好的导电性能，已然成为最具前景的柔性电子材料之一［28］。其中，柔性可拉伸传感是导电水凝胶极为重要的应用领域［29］，国内外研究者围绕导电水凝胶基传感器开展了大量的应用研究。

人类每天都会暴露在各种各样的气体环境中，不同环境下未知的气体成分常常带来潜在的危险，人们往往使用气体传感器监测气体成分变化，从而避免有害气体环境危害人体健康。然而，传统气体传感器往往体积较大、不利于随身携带，并且刚性的传感器易损坏、长期佩戴容易造成不适，严重的话还会导致发炎等一系列问题［30］。采用导电水凝胶制备的气体传感器在外力作用下可任意扭曲、拉伸、弯曲，可以很好地适应人体动作并且穿戴舒适。在2019年，Wu等［31］在2019年首次利用离子导电聚丙烯酰胺-卡拉胶双网络（DN）水凝胶作为敏感材料，制备了可拉伸、透明的NO2和NH3传感器（见图7），该传感器在监测NO2时表现出高灵敏度（78.5%·ppm-1）和低检测理论极限（1.2 ppb），并且可以承受各种剧烈的机械变形，包括大幅度的弯曲、扭曲以及高达1200%的拉伸应变。在2021年，Wu等［32］研发出一种基于盐渗透水凝胶的可伸缩、自愈合的NO2气体传感器，采用一锅聚合法［33］制备聚丙烯酰胺/卡拉胶（PAAm/Carr）双网络（DN）水凝胶，将制备好的DN水凝胶浸泡在CaCl2水溶液中，使盐渗入水凝胶中。通过往水凝胶中加入氯化钙（CaCl2）这一简单的盐过滤策略，水凝胶的气敏性能大大提高，传感器表现出更高的灵敏度（2.32倍）和更 低 的LOD（0.06倍）。Zhi等［34］将 离 子 液 体［VBIm］Br、聚乙烯醇和明胶混合，采用一锅法制备了对NO2和NH3敏感的PCVA水凝胶（图8），把PCVA水凝胶基气体传感器对NO2和NH3的响应能力归因于水凝胶网络内部羟基上的氢键、PVA分子结晶和聚离子液体的静电相互作用，上述3种协同超分子相互作用，使传感器具有快速、可逆、可重复的响应，并且表现出良好的拉伸、压缩性能和良好的恢复性能。

图7 基于聚丙烯酰胺-卡拉胶双网络水凝胶的NO 2气体传感器［31］Figure 7 NO2 gas sensor based on polyacrylamide-carrageenan dual-network hydrogel

图8 PCVA传感器机理图及对NO 2气体浓度的动态响应［34］Figure 8 Schematic of the sensing mechanism of the PCVA sensor toward hydrogen bonding and dynamic response of PCVA 3 sensor to NO 2 gas with a decrease in concentration from 40 to 5 ppm

Liang等［35］制备了聚丙烯酰胺/壳聚糖有机水凝胶氧气传感器，并且针对导电水凝胶基气体传感器的气敏机制进行了深入研究，其中控制组上不施加电压、实验组上施加5V的高电压，将两组水凝胶传感器放置在空气中5 h后观察阴极和阳极的表面形貌（图9（a））发现，阳极上Ag被氧化成AgCl，而实验组阳极的腐蚀更严重，阴极上仅发生氧气的还原，表明阴极金属不参与反应。另外，研究者还用较厚的Ecoflex对传感器的阴极进行封装（图9（b）），并测试了裸露与封装阴极的传感器在O2浓度为1%下的响应，对比发现，阴极被包裹的水凝胶传感器对氧气没有响应（图9（c）），上述实验间接证实了PAM/壳聚糖水凝胶氧气传感器的气敏机制。Wang等［36］提出了一种基于CeO2@PAni水凝胶的室温NH3气体传感器。由于CeO2核与PAni壳层紧密接触形成了p-n结核壳结构，当传感器放置在NH3含量为50 ppm的气氛中时，纳米复合材料的响应增强，检测时间缩短。此外，植酸作为凝胶剂可增加传感器的机械强度和化学稳定性，该气体传感器对外界环境表现出良好的稳定性。

图9 聚丙烯酰胺/壳聚糖有机水凝胶氧气传感器［35］Figure 9 Polyacrylamide-chitosan（PAM-CS）organohydrogel oxygen sensor

2.2 湿度传感器

湿度（RH）是另一个与我们的健康和日常舒适度密切相关的指标［37］。柔性可拉伸湿度传感器除了监测环境湿度外，在人体健康方面同样具有应用意义，如监测呼吸、伤口愈合情况、皮肤水分、代谢状况等［38-43］。水凝胶/有机水凝胶上的亲水基团在相对湿度变化时能很容易吸收或解吸周围环境中的水分，从而改变其电学性能。因此，水凝胶/有机水凝胶是一种良好的湿度敏感材料，可用于湿度监测。Wu等［44］在2019年首次报道了以聚丙烯酰胺-卡拉胶双网络有机水凝胶为湿敏材料的湿度传感器（见图10）。有机水凝胶中丰富的亲水性基团，如—OH、—NH2和SO3-等，在水分子的吸收中起着至关重要的作用，使所制备的湿度传感器具有很高的灵敏度。湿感机理主要归因于有机水凝胶对水吸收的溶胀作用。当环境湿度较高时，PAM/CA水凝胶吸水膨胀，内部的聚合物网络密度降低，聚合物网络对离子迁移的阻碍作用减弱，从而电导率升高。

图10 PAM/CA水凝胶湿度传感器的湿度传感机制及水凝胶官能团通过氢键相互作用［44］Figure 10 Humidity sensing mechanism of PAM/CA hydrogel humidity sensor and schematic illustrating the interaction between water molecules and functional groups of PAM/CA organohydrogel via hydrogen bonds

在2022年，Wu等［45］再次通过旋涂技术成功制备了不同厚度的PAM/CA水凝胶薄膜，并构建了相应的水凝胶薄膜湿度传感器（图11），对比研究表明：传感器的响应具有明显的厚度依赖性，由于水凝胶的小型化效应，传感性能得到了前所未有的提高；水凝胶变薄后的大化学键暴露面积体积比，最薄（6.06μm）的水凝胶薄膜湿度传感器表现出高的灵敏度78 785.5%/%RH，其在98%的相对湿度中的响应比体块状水凝胶高203 703倍。Gao等［46］制作了一个厚度只有0.1 mm的对湿度和温度敏感的壳聚糖-明胶-甘油-NaCl（CGGN）有机水凝胶薄膜，用其制备的有机水凝胶膜传感器具有较宽的相对湿度（RH）（20%—90%）和温度（-30—50℃）检测范围，可以准确记录和响应皮肤表面的湿度和温度变化。Yu等［47］以聚丙烯酰胺-纤维素（PAM-CNF）为交联网络，通过浸泡CaCl2/山梨糖醇溶液进行溶剂置换，制备得到具有优良的防冻、抗脱水和高湿度传感性能的柔性可拉伸湿度传感器，其中刚性CNF作为动态连接桥梁为有机凝胶网络提供了分层的蜂窝结构而使水凝胶的机械强度显著提升，山梨糖醇和CaCl2的协同作用使其具有优异的抗冻性、抗脱水能力和离子导电性，水分子和山梨糖醇分子之间形成强氢键阻碍了冰晶的形成和水的蒸发，从而使有机凝胶具有低至-50℃的极端温度耐受能力和优异的抗脱水性能，保重率超过90%。图12为CS-NC凝胶的制备过程及对RH的响应。

图11 采用逐层旋涂技术制备水凝胶薄膜湿度传感器的工艺方案［45］Figure 11 Scheme showing thefabrication process ofthehydrogel thinfilm-based humidity sensor via alayer-by-layer spin-coating technology

图12 CS-NC凝胶的制备过程及对RH的响应［47］Figure 12 Preparation process of CS-NC gel and its response to RH

2.3 应变传感器

导电水凝胶由于具备良好的柔韧性与拉伸性，即使发生大程度形变也不会损坏，是极具潜力的应变传感材料［48-50］。Cai等［51］在PVA溶液中加入碳纳米管，以硼砂为交联剂制备了一种导电水凝胶，所得聚乙烯醇水凝胶可拉伸至700%，拉伸次数可达1000次，拉伸稳定性好。Wang等［52］报道了一种由互穿聚苯胺（PANI）和聚（丙烯酰胺-羟基乙基甲基丙烯酸酯）（P（AAm-co-HEMA））网络组成的新型坚韧导电水凝胶。由于导电聚苯胺网络与柔性P（AAm-co-HEMA）之间的内在相互作用，因此使水凝胶在循环载荷下具有优异的强度与韧性。该导电水凝胶表现出非常高的灵敏度（GF=11）和良好的线性度，可以可靠地检测重复的大应变和细微的振动，包括各种人体关节的运动、脉搏和声纹。Shao等［53］通过在单宁酸包覆的纤维素纳米晶体（TA@CNCs）、聚（丙烯酸）链和共价聚合物网络中的金属离子之间构建协同多重配位键，设计了一种坚韧、自愈合、自黏附的离子导电水凝胶，该导电水凝胶变现出优异的力学性能，包括超强的拉伸性（断裂应变为2952%）、高压缩性（95%应变下无断裂）和韧性（5.60 MJ·m-3）。

以上介绍的水凝胶传感器均为电阻型应变传感器，电阻型应变传感器主要通过记录电阻变化来监测应变值，而电容型传感器则是通过电容值的变化来反映应变值的大小。Mo等［54］以双交联能耗散型海藻酸锌/聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶为离子导体，以可重复粘合的PVA/PAA-硼砂有机凝胶为介质层，研制了一种具有高灵敏度、超拉伸、超韧性和机械耐久性的电容型应变传感器。结合水凝胶/有机凝胶的机械性能优势，组装的电容式应变传感器具有高拉伸性能和良好的灵敏度，在100%应变下的高测量因子为0.8。Lei等［55］从分子相互作用的角度设计了一种两性离子水凝胶，并使用该水凝胶制备电容型应变传感器（图13）。当两个水凝胶层与金属电极连接并由电介质层隔开时，产生的平行板电容对几何变化很敏感，而对温度变化的漂移则可以忽略不计，因此可以通过记录平行板电容值的变化来检测应变大小。该电容型应变传感器具备超强的拉伸性（应变大于10 000%）、高强度（300 kPa）、自愈合性（室温下12 h）、3D打印能力、明显的刺激响应、生物相容性和抗菌活性。

图13 电容型应变传感器测量原理及性能［55］Fgure 13 Sensing principle and performance of capacitive strain sensor

常见的水凝胶基电容式应变传感器主要由两个水凝胶导体以及夹在导体之间的介质组成，其具有响应速度快、结构稳定、无漂移传感、高灵敏度和分辨率等优点［56-58］。然而，尽管水凝胶基电容式应变传感器优点众多，人们对于介电层粘附性和力学性能的研究还不够，而介电层的粘附性和力学性能对整个装置的力学适应性至关重要，现阶段电容式应变传感器相关领域还有许多问题亟待探究。

2.4 温度传感器

除了以上介绍的各类感知功能外，温度传感也是柔性可拉伸传感器重要的应用方向之一。导电水凝胶基温度传感器具备柔韧性和可拉伸性，能够贴附于人体皮肤或者智能机器人外壳等任意表面，对体表、植入区域或者周围环境进行温度监测，是极具潜力的新型可穿戴电子器件。国内外学者对于导电水凝胶基温度传感器的研究正如火如荼地开展。

Ge等［59］受人类肌肉纤维增强微结构和机械传导系统的启发，提出了一种自愈合（愈合效率90.8%）、热耐受的应变温度双传感水凝胶传感器（图14）。其中：PAA-PANI双网络水凝胶（PPBN）内部的聚苯胺纳米纤维作为自愈合的强化剂，能够使水凝胶形成强有力的氢键和“动态拉链”，从而实现水凝胶分离界面的高效自修复；而甘油的引入则可以抑制冰的结晶，增强PPBN水凝胶的抗冻能力，使其在零度以下（-26℃）仍可维持良好的拉伸性与导电性。

图14 PPBN水凝胶［60］Figure 14 PPBN-hydrogel

Lu等［60］提出一种基于冰结构蛋白/CaCl2防冻体系的低温自适应导电水凝胶，并将其应用于可穿戴应变和温度传感器（图15）。该PAA/ISP-Ca水凝胶由丙烯酸、CaCl2水溶液、冰结构蛋白水溶液和过二硫酸铵的混合预溶液在热引发下聚合而成，冰结构蛋白和CaCl2的引入有效抑制了冰晶的生长，使得传感器在低温下依旧可以维持良好的柔韧性（-20℃下具有890%的拉伸应变）和导电性（-20℃下的导电率为0.50 S·m-1），PAA/ISP-Ca水凝胶对温度变化具有良好的响应，有望应用于温度传感。

图15 PAA/ISP-Ca水凝胶温度传感器［61］Figure 15 PAA/ISP-Ca hydrogel based temperature sensor［61］

Tan等［61］报告了一种通过简单的原位自由基共聚策略［62］制备的物理化学双交联离子基导电水凝胶，该P（AA-co-DMAPS）/Al3+水凝胶可以组装成密封的三明治结构温度传感器（图16）。密封的传感器装置不仅有利于准确感知环境温度并将其转化为电信号，而且不受水、空气、油或其他有机介质等环境因素的影响。

图16 P（AA-co-DMAPS）/Al3+水凝胶温度传感器三明治结构装配图［61］Figure 16 P（AA-co-DMAPS）/Al3+ hydrogel based temperature sensor assembly diagram

以上介绍的温度传感器均是利用水凝胶电阻值随温度变化的原理实现温度检测。在检测原理上，部分研究者提出了不一样的热敏机制—采用电容模式实现温度监测。Wu等［63］采用逐层旋涂技术，设计了一种薄膜三明治结构的水凝胶基温度传感器（图17），器件自上而下依次为PDMS薄膜、聚丙酰胺/明胶水凝胶薄膜、PDMS薄膜，其中水凝胶薄膜两端沉积银浆作为电极。研究团队通过在水凝胶外包裹PDMS薄膜，有效防止水分蒸发，增加热量转移，大大提高了传感器的稳定性以及响应/恢复速度。实验结果还表明，该传感器处在室温以上的环境中时，电容模式下（18.83%）的热敏度远高于电阻模式（0.94%）。

图17 薄膜夹层结构的截面剖面图和温度传感器的等效电路图［63］Figure 17 Schematic illustrating the cross-sectional profile of thin-film sandwich structure and the equivalent circuit diagram of temperature sensor at low and high temperatures，respectively

3 面临的问题

导电水凝胶因其优异的柔韧性、拉伸性和高导电性，在柔性传感领域中前景广阔。以导电水凝胶为敏感材料设计的柔性传感器在生物医学、可穿戴电子设备、健康监测等方面［64-68］表现出巨大的应用潜力。导电水凝胶基传感器尽管优点众多，但依旧存在不足，如高温干燥环境下水分蒸发以及低温下水分凝结，使得导电水凝胶基传感器的使用场景较为苛刻。目前，常用的解决办法是使用丙三醇（Gly）、乙二醇（EG）、CaCl2水溶液等［69-71］对水凝胶进行溶剂置换，由于丙三醇和乙二醇中含有有大量与水结合的羟基，能够有效防止水分子的蒸发，此外结合后的水比自由水更难组合成晶体［72］。同时，结合水的平均分子运动能力低于自由水分子的平均分子运动能力，所以很难在低温下实现自由转移，从而阻碍了冰晶的生长。而CaCl2水溶液则是通过水-钙（II）之间的强配位键将水牢牢固定在聚合物网络中，从而赋予水凝胶抗冻保湿特性。四川大学冉蓉团队研究了丙三醇、乙二醇及CaCl2的抗冻保湿能力［73］，结果表明：在舒适的环境下，丙三醇和CaCl2溶液均有保湿作用；而在高温低湿环境下（T=70℃，RH=12%），3种保湿剂均不能完全防止失水，只能减缓失水的速度；Gly、EG、CaCl2溶液均具有防冻作用，从溶液冰点所能达到的最低温度看，抗冻能力为CaCl2＞EG＞Gly。

导电水凝胶基传感器除了抗冻保湿问题亟待解决外，电极腐蚀也常常影响传感器的性能。由于长时间在电极上施加电压，传感器电极表面容易出现腐蚀和反应产物的积累，严重影响了传感器的性能稳定性和使用寿命［74-75］。尤其对于导电水凝胶基气体传感器，金属阳极自身常常因参与氧化反应而出现严重腐蚀。除此之外，透气性不足也是水凝胶基传感器面临的一大问题，尽管水凝胶材料具有良好的生物相容性，但其长期黏附在皮肤表面却会阻止皮肤呼吸，从而导致炎症的发生［76］。另外，水凝胶传感器在发生大程度的形变时，常常会出现响应基线漂移，严重影响传感器的精度，如何使传感器对单一变量敏感是提高柔性可拉伸传感器性能的关键。尽管目前导电水凝胶基传感器的相关应用还处于探索阶段，但国内外学者围绕导电水凝胶应用的研究仍在不断开展，相信在不久的将来导电水凝胶传感器必会大放异彩。

4 结语

通过导电聚合物自组装或者与亲水性聚合物共聚，亦或是引入导电盐、导电颗粒、碳纳米管等填充物到水凝胶中，可以合成具有导电性能的水凝胶材料。本文系统概括了目前常见的导电水凝胶制备策略，并对导电水凝胶在柔性可拉伸传感领域的应用进行了总结，分析了目前水凝胶基传感器面临的问题与挑战。导电水凝胶因其优异的柔韧性、拉伸性、自修复性以及生物相容性，不仅是在传感领域，其在能量收集、创口愈合、药物释控等领域同样具备应用潜质，是极具潜力的柔性电子材料。随着相关研究的不断深入，相信未来导电水凝胶将解锁更多的应用场景。