导电，自修复和粘合水凝胶在可穿戴电子设备中具有重要意义。导电自修复水凝胶最重要的性能是在室温下有效恢复电气和机械性能，并具有持久的耐久性。最近，（4-苯乙烯磺酸盐-共-甲基-尿嘧啶-咪唑鎓）氯化物（PSS-MUI），明胶和三价铁离子（Fe3+）组成。相关论文Processable, Ion-Conducting Hydrogel for Flexible Electronic Devices with Self-Healing Capability发表在《大分子》上。这里，。水凝胶显示出优异的拉伸性和出色的离子传导性。动态氢键以及离子和金属配位相互作用的可逆性使水凝胶具有自修复能力，强附着力和快速的电性能恢复能力。事实证明，Fe3+浓度的变化会影响水凝胶可加工性的时间窗口，并允许调整水凝胶的机械性能和离子导电性能。发现用于可加工的离子传导水凝胶的最佳Fe 3+离子浓度为2重量％。在反复拉伸过程中，水凝胶的电阻仅显示很小的变化。将电路成功地组装到柔性聚氨酯（PU）基板上，在该基板上，电源，发光二极管和电阻器与作为导电线的水凝胶相连。当金属丝断裂时，将水凝胶前体简单地挤出到间隙中就可以立即修复电路。

　　通过一锅自由基聚合反应合成了PSUGF水凝胶。为此，在明胶和Fe（NO3）3存在下将阴离子NaSS和阳离子MUVI混合。在聚合过程中，形成了无规共聚物PSS-MUI，引起了许多可能的相互作用：MUI中的阳离子咪唑基团可以与带相反电荷的基团进行静电偶联。另一方面，尿嘧啶部分能够形成氢键。PSS的带负电荷的磺酸盐基团可实现与阳离子基团的静电偶联。因此，两条PSS-MUI共聚物链可以通过静电键和氢键交联，由于官能团的比例，前者是优选的。在明胶的存在下，会形成双网络PSS-MUI /明胶水凝胶。因此，明胶中的羧基，胍基和酰胺基团将其他反应位点（静电键和氢键，配位）引入系统中，从而实现了双网络的物理交联。多价Fe3+离子的添加使PSS磺酸盐和明胶羧基之间的金属配位得以实现，并增加了PSUGF水凝胶的离子电导率。因此，作者期望通过改变Fe3+离子浓度来调节水凝胶的机械和离子导电性能。此外，水凝胶中丰富的可逆物理键应提供自愈能力和对极性表面的强粘附力。示意图1给出了PSUGF水凝胶网络的可能结构。

　　进行了FTIR光谱分析以表征水凝胶成分之间的相互作用（图1a）。PSS-MUI /明胶的高分辨率O 1s光谱（图1b）被解卷积为531.7、532.4和533.1 eV处的几个峰，分别对应于S═O，C═O和C-O键。冷冻干燥的PSUGF-2水凝胶及其成分PSS，PSS-MUI和PSS-MUI /明胶的形态已通过SEM进行了检查，并显示在图1c（1-4）中。纯净的PSS标本在除水后显示出多孔结构[图1c（1）]。随着MUVI的加入，PSS-MUI水凝胶表现出更加有组织的蜂窝状结构，归因于通过H键和离子相互作用的交联[图1c（2）]。PSS-MUI/明胶水凝胶的孔较小，表明由于PSS-MUI和明胶互穿网络而形成的致密网络[图1c（3）]。FeS+离子对PSS-MUI/明胶双网络的离子交联进一步降低了PSUGF-2水凝胶的孔径[图1c（4）]。

　　在振荡剪切变形模式下，通过流变学方法研究了PSUGF-1水凝胶及其成分PSS溶液，PSS-MUI和PSS-MUI /明胶的粘弹性行为。图2a示出了存储G和损耗G对所施加的角频率ω的模量的依赖性。PSS溶液的行为类似于典型的粘弹性流体。在低频区域，G

　　图2b显示了具有不同Fe3+离子浓度的合成PSUGF离子水凝胶的粘弹性质。所有PSUGF水凝胶均表现出类似固体的行为。也就是说，随着变形频率的增加，两个动态模量的增加都不显着，并且弹性成分G的贡献高于粘性成分G的贡献。图2c显示了应变幅度扫描测试的结果。如果应变幅度γ低于临界值，则凝胶显示线性粘弹性行为（LVE）（G和G与应变幅度无关）。该临界值实际上与铁离子浓度无关，等于约40％。

　　图3展示了具有不同Fe3+离子浓度的PSUGF凝胶的PSS-MUI/明胶网络形成的动力学。这项研究具有很高的重要性，因为它可以估算出良好的凝胶可加工性（流动性）的时间范围。在55℃下通过APS引发聚合过程之后，进行流变学测量。在初始阶段，G和G非常低，并且不会随时间显着变化。一定时间后，模量开始迅速增加，反映出系统中形成的网络密度快速增加。该点被认为是与良好的水凝胶可加工性相对应的时间窗的上限。快速上升后，两个模量均趋于平稳并达到平稳状态，表明已完成网络形成。凝胶强度随三价铁离子浓度的增加而增加，对于所有考虑中的凝胶，网络形成大部分在3小时内完成。

　　图3.G和G的演变表现出在55°C下具有不同量Fe3+的PSUGF的网络形成。箭头显示可加工性时间窗口的结尾。

　　进行拉伸试验以表征PSUGF水凝胶的机械性能。图4a显示了不同Fe3+离子含量的凝胶的应力-应变曲线。总体而言，由于金属-配体相互作用使网络致密化，机械性能随铁离子浓度的增加而改善。例如，杨氏模量显示出从PSUGF-1的28 kPa到PSUGF-3的36 kPa的温和增长。同样，PSUGF-3的极限应力为〜37 kPa，而PSUGF-2和PSUGF-1凝胶的极限应力在780％的同一应变下测得的应力分别降至〜15.9 kPa和〜8.3 kPa。请注意，PSUGF-1和PSUGF-2凝胶的断裂伸长率超过了拉伸机的极限，为1500％，因此无法确定。但是，对于PSUGF-3，该值显着降低至约780％。图4b显示了所有PSUGF水凝胶的压缩应力-应变曲线。与在拉伸变形模式下获得的结果相似，所有PSUGF水凝胶的抗压强度随着较高的铁离子浓度而增加。对于PSUGF-1，PSUGF-2和PSUGF-3水凝胶，在80％应变下的抗压强度分别为4.6、10.3和14.6 kPa。

　　使用阻抗光谱仪在较宽的频率范围内探查离子电导率，以关注水凝胶的整体电导率，同时消除接触电阻伪影。为了确定三价铁离子对水凝胶离子电导率的影响，将PSUGF-X水凝胶与PSS-MUI/明胶水凝胶进行了比较。PSS-MUI/明胶水凝胶电导率为0.16S / m。通过添加Fe3 +离子，电导率显着提高：PSUGF-1，PSUGF-2和PSUGF-3的值分别为6.8、9.1和10.3 S/m（图5a）。这些值优于报道的其他离子导电凝胶的电导率（图5b）。

　　通过流变学方法研究了PSUGF-2水凝胶在微观水平上恢复其内部结构的能力。为此，开发了一种特殊的程序，该程序由低应变和大应变的交替施加组成（图6a）。水凝胶样品能够承受高达80％的压缩而不会出现宏观破裂或开裂，并且在卸载后能够恢复其原始形状。图6c给出了五个连续的循环压缩测试的应力-应变曲线。与在剪切变形下获得的结果相似，在连续压缩的情况下，在第二个循环中确定的机械性能显示出材料的软化。图6d显示了去除压力后样品形状恢复的动力学。第一个循环的回收率高达93％，也就是说，样品几乎完全恢复了其原始形状。示例性地，当经受不同的变形模式（例如拉伸（图6e）或压缩（图6f））时，PSUGF-2水凝胶在去除外部应力后迅速恢复到其原始形状，显示出其出色的超弹性。

　　图6.（a）循环步骤中G和G的变化，应变在5％，300％和2000％之间变化。（b）PSUGF-2水凝胶在不同应变下的连续循环拉伸加载-卸载曲线水凝胶的循环压缩和（d）恢复测试。PSUGF-2水凝胶样品经过（e）拉伸和（f）压缩变形并随后恢复其形状的照片。

　　图7a给出了根据ΔR/R0 =（R – R0/ R0计算的相对电阻随施加应变的变化R表示在电流应变下的电阻，而R0是未拉伸状态下的初始电阻。拉伸时水凝胶电阻逐渐增加。值得注意的是，在低应变值和高应变值下，应变系数分别由0.07到0.22在图8a中的斜率表示。这些值在离子传导水凝胶的报道值的较低范围内，认为PSUGF-2水凝胶抗性对所施加的应变相对较不敏感。

　　进行循环拉伸-收缩测试以评估重复变形后的抗水凝胶性能。图7b展示了在0到100％应变之间的五个连续循环中，接着是在0到200％应变之间的五个循环中的相对电阻变化。对于相同应变的每个循环，相对电阻变化是相同的，并被证明适用于实际应用。图7c中的照片通过显示在增加和释放水凝胶应变时电路中的发光二极管（LED）的亮度变化来指示水凝胶电阻变化的可逆性。LED亮度随着拉伸而降低，而随着水凝胶收缩而提高。

　　为了表征PSUGF-2水凝胶的自愈能力，检查了宏观破裂后的机械和电性能。首先，定性检查了愈合后的水凝胶的状态。为此，将两条水凝胶条（以常规方式制备一条，而另一条用罗丹明染色）在25°C下直接接触（图8a）。两条水凝胶条迅速粘合在一起，经受了120分钟的接触时间后，经手工拉伸可承受高达500％的应变，而在界面处没有断裂。这表明PSUGF-2水凝胶具有良好的自我修复能力。在不同的愈合时间后进行拉伸测试，以确定完成完全自我修复所需的最短时间。如图8b所示，愈合20和60分钟后的断裂伸长率明显低于原始材料。在恢复2小时后，水凝胶几乎完全恢复了其原始的机械性能，因此拉伸强度达到了原始水凝胶测定值的约97％。水凝胶出色的自修复性能归因于可逆的氢键以及静电和金属配位相互作用（见图8c）。

　　柔性基材上的导电胶水凝胶已显示出可穿戴电子设备和人机界面的巨大潜力。在水凝胶-基质界面上的出色附着力非常重要，因为它决定了可能的应用。因此，作者测量了PSUGF-2水凝胶对聚氨酯膜的粘合强度，可用于柔性电子产品。为此，在两个PU薄膜条之间注入了一层薄薄的PSUGF-2水凝胶前体。聚合完成后，进行搭接剪切试验。图9a定性地显示了两种材料之间的牢固粘合，即，粘合的样品可以承受装有水（约300 g）的瓶子的重量。图9b显示了夹层样品的平均变形曲线。水凝胶提供的最大粘附应力为40.9±1.5 kPa，高于其他离子传导水凝胶的报告应力（表S1）。强烈的粘附力归因于水凝胶与PU底物之间的MUI尿嘧啶，-OH和-NH2明胶官能团之间的氢键键合。

　　为了模仿柔性电子设备，组装了由电源，电阻器和白色LED组成的电路。用银浆将电子元件胶粘到柔性PU膜上作为衬底，并与用作“电线水凝胶互连。为此，在预先确定的可加工时间范围内将水凝胶前体通过注射器挤出（图3）。结果，获得了具有2mm厚度的柔性“线”。给电路加电后，LED会明亮地发光（图10a）。随着LED继续发光，弯曲和扭曲不会明显影响电路。拆除笨重的水凝胶丝会中断电路，从而关闭LED（图10b）。将水凝胶注入电路的破损部位后，电导率几乎立即恢复，并再次打开LED的电源（图10c），证明PSUGF-2水凝胶适合于可加工，自愈和离子导电用于胶粘剂和柔性电子设备的水凝胶。

　　由电源，电阻器和白色LED组成的柔性电路，其与由PSUGF-2水凝胶制成的“电线”互连。（a）通电时LED亮；（b）由于电路断开，LED熄灭。（c）凝胶注入间隙后，LED再次亮起。开云体育 开云平台开云 开云体育平台开云 开云体育平台开云 开云体育