浙农林厉世能、杭师大汤龙程JMST：木质纤维素纳米纤维基力学强韧、抗溶胀两栖导电水凝胶的快速制备及其水下传感应用

在众多柔性传感材料当中，水凝胶由于水含量高，柔软可塑与生物组织相容性好，是目前非常具有前景的柔性传感材料。然而，传统水凝胶普遍存在制备过程依赖外部能量输入(热引发、光引发等)；制备过程冗长且繁琐(几小时至几十小时反应时间)；关键性能参数如力学、电学、自粘附、抗溶胀性等无法得到有效地兼顾等问题，进一步阻碍了其产业化进程。因此，开发一种可室温快速凝胶化、力学强韧、抗溶胀、自粘附两栖导电水凝胶材料势在必行，但也极具挑战性。

近日，浙江农林大学厉世能博士联合杭州师范大学汤龙程教授，设计与开发了一种基于磷酸化木质纤维素纳米纤维PLCNF与Ag+动态氧化还原体系的高性能两栖导电水凝胶。团队通过化学预处理结合机械研磨保留木质素的PLCNF，与Ag+构建氧化还原催化网络，实现室温3 分钟内无外部能量输入的快速凝胶化，制备出兼具优异力学性能(拉伸强度0.20 MPa、断裂伸长率(699%)、高导电性(2.12 S/m)、抗溶胀(30 天平衡溶胀率1.2%)、宽温域耐受(-20~50℃)及水下自粘附特性的PAGDP-Ag复合水凝胶。该材料可精准监测水下运动信号与生物行为，在海洋探测、水下救援及两栖智能设备领域展现重要应用价值。相关成果以“Mechanical tough, non-swelling, self-adhesive and highly conductive amphibious hydrogels for motion sensing in complex conditions”为题发表于国际权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》(2025, 237, 10-19)。论文第一作者为浙江农林大学本科生许智超，共同一 作为硕士生杨玉琴和本科生庞晓雯，研究得到国家自然科学基金与浙江农林大学人才科研基金支持。

【木质纤维素纳米纤维动态氧化还原体系实现两栖水凝胶室温快速制备】

图1 ：PAGDP-Ag两栖水凝胶的制备、凝胶机制及表征。

的可逆氧化还原反应，构建“一锅法”室温快速凝胶体系(图1 )。PLCNF通过磷酸化改性与机械研磨制备，保留的木质素基团与Ag+形成氧化还原反应，生成半醌自由基与羟基自由基，触发丙烯酸(AAc)的自由基聚合，实现160秒内从液态到凝胶的转变。该体系无需传统热引发或UV照射，仅依赖PLCNF-Ag的动态催化作用，为绿色高效制备多功能水凝胶提供新路径。其次，研究者通过调控PLCNF含量、明胶比例及Ag+浓度，实现水凝胶力学性能的精准优化。优化后的PAGDP-Ag水凝胶拉伸强度达0.20 MPa，断裂伸长率699%，韧性0.90 MJ/m³，可承受自身重量100倍的重物(0.5 kg水桶)悬挂，同时保持优异的拉伸与抗撕裂性能(图2 )。多重作用机制赋予材料强韧性：PLCNF的纳米增强效应、明胶与聚丙烯酸(PAAc)间的氢键网络、以及Ag+与聚合物链的离子配位，共同构建致密三维网络结构。

图2 ：PAGDP-Ag水凝胶的力学性能及宏观力学行为。

此外，抗溶胀性能测试表明，PAGDP-Ag水凝胶在水中浸泡30 天后溶胀率仅1.2%，显著低于传统水凝胶(7.14 g/g)。高密度氢键网络与疏水纳米纤维界面有效抑制水分子渗透，即使在模拟海水中仍保持结构稳定，为水下长期监测提供保障。

【PAGDP-Ag水凝胶的宽温域耐受与导电性能】

通过二甲基亚砜DMSO与PLCNF的协同作用，PAGDP-Ag水凝胶展现优异的宽温域适应性：-20℃环境下仍保持柔韧性，力学性能保留90%以上；50 ℃高温下无明显脱水或结构破坏。DMSO与水分子形成的强氢键网络抑制冰晶生长，而PLCNF-Ag的动态网络维持高温下的结构稳定性(图3 )

图3 ：PAGDP-Ag水凝胶的抗溶胀性能及在高低温环境下传感应用演示。

导电性能方面，Ag的离子传导与PLCNF的电子传输协同作用，使水凝胶电导率达2.12 S/m。即使在-20℃低温或水下环境，电信号仍保持稳定，为极端条件下的传感应用奠定基础。

【PAGDP-Ag水凝胶的自粘附特性与水下传感应用】

PAGDP-Ag水凝胶在空气与水下均展现优异的自粘附性能，对ABS塑料、橡胶、金属、玻璃、木材及生物组织(如猪皮)的粘附强度达5.1-9.8 kPa。PLCNF的邻苯二酚基团与底物形成氢键及金属螯合作用，而PAAc与明胶的极性基团增强界面相互作用，实现水下稳定粘附(图4 )。

图4 ：PAGDP-Ag水凝胶的自粘附特性。

作为应变传感器，PAGDP-Ag水凝胶在水下展现高灵敏度：应变系数(GF)达3.98，检测范围0-699%，响应时间0.28秒。传感器可精准监测水下肢体运动(如手腕弯曲、手指伸展)，并通过莫尔斯电码实现水下信息传输(如“SOS”“HELP”信号)。此外，传感器附着于仿生鲨鱼模型时，可实时追踪其游泳姿态(前进、左转、右转)，为海洋生物行为研究提供新工具(图5 )

图5 ：PAGDP-Ag水凝胶的传感性能及水下传感应用。

总结：本研究通过构建PLCNF-Ag动态氧化还原催化体系，突破传统水凝胶制备效率低、抗溶胀性差的局限，实现兼具力学强韧(拉伸强度0.20 MPa、断裂伸长率699%)、高导电性(2.12 S/m)、超低溶胀(1.2%)及水下自粘附的多功能水凝胶的室温快速制备。该材料在-20~50℃宽温域及复杂水环境中保持稳定传感性能，检测范围覆盖微应变至大变形(0-699%)，可精准捕捉水下生理信号与运动状态。本研究通过构建PLCNF-Ag动态氧化还原催化体系，突破传统水凝胶制备效率低、抗溶胀性差的局限，实现多功能水凝胶的室温快速制备。该材料在-20~50℃宽温域及复杂水环境中保持稳定传感性能，检测范围覆盖微应变至大变形，可精准捕捉水下生理信号与运动状态。

原文链接：

“Mechanical tough, non-swelling, self-adhesive and highly conductive amphibious hydrogels for motion sensing in complex conditions”

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