Highly sensitive and self-healing conductive hydrogels fabricated from cationic cellulose nanofiber-dispersed liquid metal for strain sensors

材料科学 丙烯酸 纳米纤维 标度系数 乳状液 复合材料 化学工程 阳离子聚合 自愈 自愈水凝胶 聚合物 高分子化学 制作 单体 病理 替代医学 工程类 医学
作者
Shihao Wu,Bingyan Wang,Duo Chen,Xiaona Liu,Huili Wang,Zhaoping Song,Dehai Yu,Guodong Li,Shaohua Ge,Wenxia Liu
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:66 (5): 1923-1933 被引量:46
标识
DOI:10.1007/s40843-022-2328-8
摘要

The emergence of liquid metal (LM) emulsion as a soft multifunctional filler brings a new opportunity for fabricating hydrogel-based strain sensors with multifunctional properties. However, the extremely large surface tension and high density of LMs inhibit emulsification. Herein, we demonstrated a strategy for stabilizing LM emulsions using cationic cellulose nanofibers (CCNFs) to encapsulate LM droplets through strong electrostatic attraction with LM. By inducing acrylic acid (AA) polymerization in the presence of a CCNF-stabilized LM emulsion, a conductive hydrogel was prepared with the formation of reversible hydrogen bonds, ionic coordination, and electrostatic interactions among CCNFs, LM droplets, and poly(acrylic acid) (PAA). The hydrogel obtained, named the CCNF-LM-PAA hydrogel, shows good conductivity (1.54 S m−1), remarkable tensile strength and elongation at break, self-adhesiveness, and quick self-healing capability. As a strain-sensing material, the CCNF-LM-PAA hydrogel exhibits a very high sensing sensitivity (gauge factor = 16.2), a low strain detection limit (less than 1%), a short response/recovery time (107/91 ms), and good durability (300 cycles). These results enable the CCNF-LM-PAA hydrogel-based strain sensor to be an excellent wearable device for monitoring various human activities. Therefore, introducing additional electrostatic interactions by using CCNFs to stabilize LM emulsions provides a practical way to enhance the strain-sensing performance of LM emulsion-based hydrogels for assembling self-attached wearable devices.
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