High-strength, anti-fatigue, cellulose nanofiber reinforced polyvinyl alcohol based ionic conductive hydrogels for flexible strain/pressure sensors and triboelectric nanogenerators

摩擦电效应 聚乙烯醇 材料科学 纳米纤维 复合材料 自愈水凝胶 纤维素 化学工程 高分子化学 工程类
作者
Yanhao Li,Penggang Ren,ZhenFeng Sun,Runzhuo Xue,Du Ding,Wenhui Tian,Fang Ren,Yanling Jin,Zhengyan Chen,Guanjun Zhu
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:669: 248-257 被引量:26
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.05.011
摘要

Ionic conductive hydrogels (ICHs) have attracted great attention because of their excellent biocompatibility and structural similarity with biological tissues. However, it is still a huge challenge to prepare a high strength, conductivity and durability hydrogel-based flexible sensor with dual network structure through a simple and environmentally friendly method. In this work, a simple one-pot cycle freezing thawing method was proposed to prepare ICHs by dissolving polyvinyl alcohol (PVA) and ferric chloride (FeCl3) in cellulose nanofiber (CNF) aqueous dispersion. A dual cross-linked network was established in hydrogel through the hydrogen bonds and coordination bonds among PVA, CNF, and FeCl3. This structure endows the as-prepared hydrogel with high sensitivity (pressure sensitivity coefficient (S) = 5.326 in the pressure range of 0–5 kPa), wide response range (4511 kPa), excellent durability (over 3000 cycles), short response time (83 ms) and recovery time (117 ms), which can accurately detect various human activities in real time. Furthermore, the triboelectric nano-generator (TENG) made from PVA@CNF-FeCl3 hydrogel can not only supply power for commercial capacitors and LED lamps, but also be used as a self-powered sensor to detect human motion. This work provides a new approach for the development of the next generation of flexible wearable electronic devices.
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