近年來，由於各向異性和各向同性結構的獨特性質，對各向異性水凝膠的研究越來越多。科研人員透過定向擴散氯化鋁溶液製備了梯度各向異性羧甲基纖維素水凝膠 (CMC-Al3+)。羧甲基纖維素 (CMC) 鏈的方向與鋁離子擴散方向垂直。交聯度和取向度沿鋁離子擴散方向逐漸降低。與其他方法制備的各向異性水凝膠相比，定向擴散鋁離子溶液製備的水凝膠具有梯度層狀結構。由於CMC-Al3+中含有大量的鋁離子，水凝膠表現出良好的感測效能。CMC-Al3+採用PVC電工阻燃膠帶封裝製作應變感測器，用於檢測人體微小動作，可準確、穩定地監測微小動作。未來基於水凝膠的應變感測器可廣泛應用於人機智慧、人機互動和可穿戴裝置等領域。
圖 1. (a) 透析前後的 CMC 分子結構。(b) CMC溶膠在Al3+溶液中滲析製備CMC-Al3+的機理示意圖。(c) CMC-Al3+ 的 Al3+ 擴散示意圖。(d) 凝膠中 Al3+ 不同擴散區域的偏振影象。
圖 2. (a) 孔方向的 SEM 影象。(b) 層狀結構方向的 SEM 影象。(c) 定向 CMC 鏈的 SEM 影象。
圖 3. (a) 交叉偏振器示意圖。(b) CMC-Al3+ 各向異性在 45° 角的交叉偏振器影象。(c) 角度為 0° 時 CMC-Al3+ 各向異性的交叉偏振器影象。
圖 4. (a) CMC 和 CMC-Al3+ 的 FTIR 光譜。(b) CMC 和 CMC-Al3+ 寬掃描的 XPS。(c) CMC C1s 窄掃描曲線的 XPS。(d) CMC O1s 窄掃描曲線的 XPS。(e) CMC-Al3+ O1s 窄掃描曲線的 XPS。
圖 5. (a) 不同結構的 CMC-Al3+ 的壓縮曲線。(b) 迴圈載入-解除安裝試驗的 CMC-Al3+ 載入應力曲線。(c) CMC-Al3+ 的應力鬆弛曲線。
圖 6. (a) 應變感測器的迴圈感應曲線。(b) 應變感測器的響應/恢復時間曲線。(c) 應變感測器應變係數比較圖。
圖 7. (a) CMC-Al3+ 應變感測器與手指微控制壓縮。(b) 由手指不同程度彎曲引起的 CMC-Al3+ 應變感測器。(c) CMC-Al3+ 的應變感測器由手臂不同程度的彎曲引起。
相關論文以題為Gradient Diffusion Anisotropic Carboxymethyl Cellulose Hydrogels for Strain Sensors發表在《Biomacromolecules》上。通訊作者是南京林業大學徐朝陽教授。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acs.biomac.1c01003
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