南京林业大学陈楚楚 Carbohyd. Polym.：无引发剂超强木基水凝胶应用于多功能传感

2025-02-20 来源：高分子科技

水凝胶因其优异的可拉伸性在可穿戴电子、生物医学传感器等领域展现出巨大的应用潜力。然而，现有的水凝胶传感基材往往存在机械性能不足、易损坏、环境适应性差以及制备工艺繁琐、不环保等问题，限制了其在复杂环境中的应用。

近期，南京林业大学陈楚楚课题组以轻木为原料，脱基质处理后获得木材纤维素骨架，通过紫外光（UV）引发接枝的聚合方式，在不使用任何化学引发剂的条件下，制备得到聚丙烯酰胺（PAM）/聚丙烯酸（PAA）木基复合凝胶，最大拉伸强度可达42.2 MPa，且兼具优异的抗溶胀性能及紫外屏蔽功能。将该木基复合凝胶作为柔性基材组装构建传感器件，可用于运动监测、热电传感、水下传感及智能家居等领域（图1）。

图1.木基复合凝胶的制备

微观形貌

该研究利用化学法设计调控天然木材中的木质素及半纤维素的含量，得到高度定向的木材纤维素骨架（图2）。在不使用化学引发剂和交联剂的情况下，通过紫外线照射制备得到PAM/PAA木基复合凝胶。随后，引入Fe³⁺以进一步增强其力学性能。

图2. 木基复合凝胶的微观结构

力学性能

紫外接枝聚合反应后，PAM/PAA木基复合凝胶的轴向拉伸强度为12.28 MPa。随后，将Fe³⁺引入上述体系，所得复合凝胶轴向拉伸强度增强至42.24 MPa，横向强度为4.24 MPa。

图3. 木基复合凝胶的力学性能

多功能传感应用

引入Fe²⁺制备PAM/PAA₃₀-Fe_0.3(2)木基复合凝胶并进一步将其组装成热电传感器。其轴向和横向电导率分别为5.76 S/m和3.73 S/m，塞贝克系数(S)为18 mV/K，最大功率密度(Pmax)约为0.0183 W/m2。由于热扩散效应，热电木基复合凝胶具有在温度梯度下将低品质热能转化为电能的潜力，在不同温度下的弯曲运动时可以输出稳定的I/I₀信号，预期可应用于可穿戴设备。

图4. 木基复合凝胶的热电传感

PAM/PAA₃₀-Fe_0.3木基复合凝胶在24小时内的溶胀率低于5%，故将其组装成传感器置于不同的水环境（去离子水、河水、海水等）中。在进出水体及外力按压等过程中，复合凝胶传感器均表现出稳定的相对电流响应。

图5. 木基复合凝胶的水下传感

进一步探索其在智能家居中应用的可能性，PAM/PAA₃₀-Fe_0.3木基复合凝胶具备优异的紫外屏蔽性能，可屏蔽100% UVB和85.32% UVA。并在不同光强、温度、压力等场景下，均表现出稳定的相对电流响应，预期可用于“智能家居”系统中的多功能传感，促进家居生活智能化。

图6. 木基复合凝胶在智能家居中的传感应用

该工作以题为“Initiatorless polymerization of mechanically robust hydrogels reinforced by cellulose of wood skeleton as multifunctional sensors”的论文发表在期刊《Carbohydrate Polymers》。论文通讯作者为南京林业大学材料科学与工程学院陈楚楚副教授，该研究受到国家自然科学基金面上项目等的资助。

原文链接：

Luzhen Wang, Jing Wei, Muqiu You, Yongcan Jin, Dagang Li, Zhaoyang Xu, Aiping Yu, Junshuai Li, Chuchu Chen, Initiatorless polymerization of mechanically robust hydrogels reinforced by cellulose of wood skeleton as multifunctional sensors, Carbohydrate Polymers, 354, 2025, 123345, DOI: 10.1016/j.carbpol.2025.123345

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123345

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（责任编辑：xu）

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