DOI: 10.1016/j.cej.2021.128470
導電水凝膠柔性傳感器由于其優良的柔性和高靈敏度，在可穿戴電子器件領域受到越來越多的關注。然而，對于導電水凝膠柔性傳感器而言，導電水凝膠關鍵特性（強度、可拉伸性、抗凍性、抗菌特性和較大的線性傳感范圍）的集成對于其實際應用是非常必要的。在這項工作中，研究者創造性地使用軟1D蠶絲納米纖維（SNFs）和硬2D石墨氮化碳（g-C3N4）納米片，以共增強聚乙烯醇（PVA）有機水凝膠。令人驚訝的是，僅添加0.1％的蠶絲納米纖維和少量的g-C3N4納米片大大提高了有機水凝膠的拉伸強度（約3.2倍）和韌性（約7.7倍）。當使用由水和乙二醇組成的二元溶劑體系時，有機水凝膠具有抗凍功能。即使在-18℃下，也可以很好地保持有機水凝膠的柔性和導電性。由于添加了Al3+，導電聚乙烯醇-蠶絲納米纖維-石墨氮化碳納米片（PVA/SNF/CN）有機水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率分別為99.527％和99.41％。基于PVA/SNF/CN有機水凝膠的三明治式柔性應變傳感器具有較大的線性傳感范圍（0％-100％）、快速響應（276ms）和出色的抗疲勞性能（1000個循環）。它不僅可以成功檢測到人體運動（腕部彎曲，膝關節彎曲）和面部表情（微笑和皺眉），而且還能在使用長達20天的時間內保持輸出信號的準確性。PVA/SNF/CN有機水凝膠在柔性傳感器中顯示出巨大的潛力。
圖1.液體剝離法制備蠶絲納米纖維的方法。（a）示意圖顯示在-18℃下使用NaOH/尿素/H2O混合溶液剝離蠶絲來制備SNFs。（b）脫膠蠶絲纖維的SEM圖像。（c）SEM圖像顯示蠶絲纖維的一些裂縫。（d）SNFs的SEM圖像。（e）具有明顯廷德爾效應的SNFs水分散體照片。
圖2.導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的制備。（a）導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的合成步驟。（b）導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的內部相互作用示意圖，（c）導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的可注射特性。（d）照片顯示有機水凝膠出色的形狀加工性能。
圖3.導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的力學性能。（a）打結的水凝膠拉伸時的圖像，（b）PVA/SNF/CN有機水凝膠的壓縮。（c）PVA-0.1％SNF-CN的負載演示。（d）導電PVA/SNF/CN有機水凝膠和純PVA有機水凝膠（作為參考）的拉伸曲線。（e）含有不同SNFs和g-C3N4的有機水凝膠的拉伸強度和應變，以及（f）韌性。
圖4.導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的結構表征。（a）導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的FTIR光譜（b）導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的XRD圖。
圖5.不同導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的SEM圖像：（a）PVA，（b）PVA-CN，（c）PVA-0.05％SNF-CN，（d）PVA-0.1％SNF-CN，和（e-f）PVA-0.2％SNF-CN。
圖6.導電PVA/SNF/CN有機水凝膠的抗凍、保濕性能和可加工性。（a）和（b）在25℃和-18℃下比較PVA-W、PVA和PVA-0.1％SNF-CN的耐凍性。（c）PVA-W、PVA和PVA-0.1％SNF-CN在25℃至-70℃下的DSC熱分析圖。冷卻速率為10℃/min。（d）在37℃和60RH％下PVA-W和PVA-0.1％SNF-CN的重量變化。（e）照片顯示了在37℃和60RH％下PVA-W和PVA-0.1％SNF-CN的保水率比較。（f）照片顯示有機水凝膠從碎片到圓形物的可回收性。
圖7.導電PVA/SNF/CN有機水凝膠柔性應變傳感器的導電性能。（a）ΔR/R0與應變的關系曲線。（b）不同拉伸應變下的相對電阻變化。PVA/SNF/CN有機水凝膠在（c）小應變（10％，15％和20％）和（d）大應變（30％，50％和100％）下的相對電阻變化。（e）15％應變下的響應時間。（f）有機水凝膠在0-15％應變下循環1000次的ΔR/R0。
圖8.導電PVA/SNF/CN有機水凝膠柔性應變傳感器的長期使用情況。（a）每天循環5次，有機水凝膠應變傳感器在0％-15％應變下的ΔR/R0。（b）0天，（c）5天，（d）10天，（e）15天，（f）20天。
圖9.導電PVA/SNF/CN有機水凝膠作為應變傳感器的相對電阻變化，可檢測各種人體運動：（a）手指以不同角度彎曲（0°，30°，60°，90°和45°），（b）指關節彎曲，（c）手腕彎曲，（d）肘關節彎曲，（e）膝關節彎曲，（f）吞咽，（g）皺眉，（h）微笑。
圖10.PVA/SNF/CN有機水凝膠和導電PVA/SNF/CN有機水凝膠對（a）大腸桿菌和（b）金黃色葡萄球菌的抑菌作用。（i）空白樣品；（ii）PVA/SNF/CN有機水凝膠；（iii）導電PVA/SNF/CN有機水凝膠。（c）有機水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率。
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