Enhancing Strain-Sensing Properties of the Conductive Hydrogel by Introducing PVDF-TrFE

材料科学 压阻效应 自愈水凝胶 佩多:嘘 导电体 复合数 压电 复合材料 标度系数 聚合物 制作 高分子化学 医学 病理 替代医学
作者
Zhirui Hu,Jie Li,Xiaotong Wei,Chen Wang,Yang Cao,Zhiqiang Gao,Jing Han,Yingchun Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (40): 45853-45868 被引量:40
标识
DOI:10.1021/acsami.2c13074
摘要

Conductive hydrogels have attracted attention because of their wide application in wearable devices. However, it is still a challenge to achieve conductive hydrogels with high sensitivity and wide frequency band response for smart wearable strain sensors. Here, we report a composite hydrogel with piezoresistive and piezoelectric sensing for flexible strain sensors. The composite hydrogel consists of cross-linked chitosan quaternary ammonium salt (CHACC) as the hydrogel matrix, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) as the conductive filler, and poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) (PVDF-TrFE) as the piezoelectric filler. A one-pot thermoforming and solution exchange method was used to synthesize the CHACC/PEDOT: PSS/PVDF-TrFE hydrogel. The hydrogel-based strain sensor exhibits very high sensitivity (GF: 19.3), fast response (response time: 63.2 ms), and wide frequency range (response frequency: 5-25 Hz), while maintaining excellent mechanical properties (elongation at break up to 293%). It can be concluded that enhanced strain-sensing properties of the hydrogel are contributed to both greater change in the relative resistance under stress and wider response to dynamic and static stimulus by adding PVDF-TrFE. This has a broad application in monitoring human motion, detecting subtle movements, and identifying object contours and a hydrogel-based array sensor. This work provides an insight into the design of composite hydrogels based on piezoelectric and piezoresistive sensing with applications for wearable sensors.
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