导电水凝胶作为一种高弹性材料，因其良好的导电性、柔韧性以及优异的力学性能，具有广阔的应用前景［12］。导电水凝胶被广泛运用于柔性电子设备的组装 ，如柔性传感器［13］、超级电容器［14］等。本文研究介绍了一种基于聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）和瓜尔胶（guar gum，GG）的导电水凝胶。PAM已在传感器领域有所应用［15-16］，但纯PAM的力学性能较差，常常需要与其他材料（如壳聚糖［17-18］、大豆蛋白［19］）结合来构建力学性能优异的软基底。GG作为一种天然的高分子材料，具有无毒、安全、生物降解性、生物相容性、可再生、价格低廉等优点，正受到人们的广泛关注［20］。目前国内对于PAM复合水凝胶的研究较多，但对于PAM与GG复合制备导电水凝胶的相关研究却较少［21］，将GG引入到PAM水凝胶体系中预期会在复合凝胶的力学性能等方面有所提升。因此本研究采用PAM-GG复合凝胶作为柔性基底，聚吡咯（polypyrrole，PPy）作为导电物质，构建导电水凝胶。研究发现在PPy加入后其导电能力与力学强度均明显增强，基于凝胶构建的柔性传感器具有较宽的拉伸传感范围与拉伸回复性能，这使得其能够检测人体运动，如手指、手腕的运动、吞咽等。

1 实验部分

1.1 实验原料

丙烯酰胺（acrylamide，AM）、过硫酸铵（ammonium persulphate，APS）、N-N′ 亚甲基双丙烯酰胺（methylene-bis-acrylamide，BIS）（国药集团化学试剂有限公司，分析纯）；去离子水，实验室自制；GG（山东丰泰有限公司，食品级）。

1.2 导电水凝胶的制备

1.2.1 水凝胶的制备 称取AM 2.5 g，BIS 1.5 mg，APS 50 mg，去离子水8 mL，搅拌将其混合均匀，再缓慢匀速加入100 mg GG，持续搅拌1 h使GG完全溶解。将搅拌完成后的溶液以5 000 r/min的速度离心3 min，消除搅拌产生的气泡，再转移至6.5 cm×4.5 cm×2.0 cm的模具内，置于60 ℃烘箱内反应1 h，得到PAM-GG水凝胶，记为AG-100。作为对比，用同样的方法不加入GG得到纯PAM水凝胶，记为AG-0，制备示意图如图1（a）所示。

1.2.2 导电水凝胶的制备 将制备好的PAM-GG水凝胶剪切为4.5 cm×1.0 cm的条状，分别放入装有30 μL和40 μL吡咯（pyrrole，Py）单体的10 mL离心管内，室温（25 ℃）下反应12 h，分别得到PAM-GG-PPy导电水凝胶，记为AGP-30、AGP-40。图1（b）所示为水凝胶实物照片。

<G:\武汉工程大学\2023\第4期\王翔宇-1.tif>[b][a][AM][GG][BIS APS][溶液][60 ℃ 1 h][25 ℃ 12 h][AG水凝胶][25 ℃ 12 h][AGP水凝胶][AG水凝胶][吡咯蒸汽][吡咯]

图1 AGP水凝胶制备：（a）示意图，（b）照片

Fig. 1 Preparation diagram （a） and photos （b） of

AGP hydrogel

1.3 表征与测试

1.3.1 微观形貌测试 采用JSM-5510LV型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）测试AG-100和AGP-40水凝胶的内部结构。

1.3.2 应力应变性能测试 将水凝胶样条（4.5 cm×1.0 cm×0.2 cm）置于万能试验机上，按20 mm/min的拉伸速率进行拉伸，记录水凝胶的应力-应变曲线。

1.3.3 传感性能测试 规范因子（gage factor，GF）是评价水凝胶应变传感器灵敏度的核心性能指标之一，定义为：GF=ΔR/（R0ε），其中，ΔR为水凝胶应变时相对电阻，R0为水凝胶原始电阻，ε为水凝胶的应变幅度。

将不同PPy含量的水凝胶样条（4.5 cm×1.0 cm×0.2 cm）固定在手指、手腕、脉搏、喉咙上，并用夹子夹住水凝胶样条的两端与CHI-660D型电化学工作站连接，根据脉搏跳动、手指、手腕弯曲程度、吞咽动作，得到电流变化，进而得到相对电阻变化（ΔR/R0）。

2 结果与讨论

2.1 水凝胶的性能

如图2（a-e）所示，AGP-40水凝胶样条可以拉伸到原来长度的3倍以上而不断裂，对水凝胶样条扭曲、打结后仍能恢复原状；图2（f）是AGP-40水凝胶样条提起250 g砝码的照片，均表明AGP水凝胶具有良好的延伸性、韧性和快速的自恢复能力。图2（g）和图2（h）分别为AGP-30、AGP-40水凝胶连接导线外接电源时能够连通电路点亮发光二极管（light emitting diode，LED）小灯泡的照片，可以观察到小灯泡亮度差异，表明AGP-40水凝胶导电性能更佳，LED小灯泡更亮；将AGP-40水凝胶拉伸后，LED小灯泡亮度变暗，如图2（i）所示，表明水凝胶电阻变大。AGP-40水凝胶的电阻随拉伸率变化的特性为后续传感器的组装实验提供了条件。

2.2 SEM表征

AG-0、AG-100、AGP-30和AGP-40水凝胶的SEM图如图3所示，可以观察到GG加入后与PAM相互作用并形成紧密的层状结构；在PPy进入并聚合后，水凝胶形成了多孔的结构，且孔洞的数量与直径随PPy加入量的增加而增加，说明PPy的加入有利于水凝胶中孔洞的形成。

2.3 AGP水凝胶的结构

图4是AGP水凝胶网络结构与相互作用的示意图，GG高分子链与PAM高分子链之间通过氢键相互作用而构成水凝胶基体，同时两高分子链之间互相缠绕而形成水凝胶。在吡咯单体进入水凝胶并聚合后，形成导电通路，使水凝胶具有导电性能。在AGP水凝胶受到外力作用时，形成导电通路的PPy组分之间距离会随水凝胶拉伸程度的增大而增大，使得水凝胶的电阻变大。

2.4 力学性能分析

图5是AG-0、AG-100、AGP-40和AGP-40水凝胶的拉伸应力-应变曲线。AG-0水凝胶的最大拉伸强度为106.1 kPa，断裂伸长率为1 250.6%，AG-100水凝胶的最大拉伸强度为119.3 kPa，断裂伸长率为1 383.7%。GG的加入与PAM形成交联互穿网络，同时GG分子链中的-OH与PAM分子链中的-NH2之间形成氢键［22］，如图4中所示，使得水凝胶的断裂伸长率与最大拉伸强度提高，分别增加了10.6%、12.4%。

<G:\武汉工程大学\2023\第4期\王翔宇-6.tif>[0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600

应变 / %][200

150

100

50][应力 / kPa][AG-0

AG-100

AGP-30

AGP-40]

图5 AG和AGP水凝胶的拉伸应力-应变曲线

Fig. 5 Tensile stress-strain curves of AG and AGP hydrogels

由AGP-30与AGP-40水凝胶的拉伸应力-应变曲线可知，AGP-30水凝胶的最大拉伸强度为134.9 kPa，断裂伸长率为861.9%，AGP-40水凝胶的最大拉伸强度为158.9 kPa，断裂伸长率为936.4%。PPy的加入使得AGP水凝胶的最大拉伸强度有所提高，AGP-30和AGP-40相比于AG-100分别提高了12.6%和32.8%；这可能是因为PPy是一种刚性高分子，复合后PPy进入到GG与PAM形成的凝胶网络中，有利于AGP水凝胶力学强度的提升；但AGP水凝胶在复合PPy后产生了孔洞结构，使得断裂伸长率降低。

图6是AGP水凝胶在经过1次、5次、10次、15次拉伸应变为300%时的拉伸-回复循环后的回复情况。AGP水凝胶在经过1次拉伸-回复后，其拉伸回复率为109.3%，5次后拉伸回复率为113.9%，10次后拉伸回复率为116.2%，15次后拉伸回复率为120.9%，在实验条件下静置AGP水凝胶5 min后水凝胶回复率为102.3%，表明AGP水凝胶可以适应循环往复的拉伸应变，具有良好的循环稳定性，能够适应应力的反复作用，为传感器的组装提供了有利条件。

[1次 5次 10次 15次 5 min后

循环次数][150

120

90

60

30

0][拉伸回复率 / %]<G:\武汉工程大学\2023\第4期\王翔宇-5.tif>[109.3][113.9][116.2][120.9][102.3]

图6 AGP-40水凝胶拉伸不同次数的回复率

Fig. 6 Recovery rates of AGP-40 hydrogel stretching for

different times

2.5 传感性能测试分析

选择力学性能与导电性能更好的AGP-40水凝胶组装成传感器，用于人体生理运动的检测。图7中，在0%~100%的应变范围内，组装好的水凝胶应变传感器具有应变依赖的响应性，相对电阻变化（ΔR/R0）随应变的增加而逐渐增加。应变敏感性源于水凝胶变形引起的电阻变化，因为在拉伸过程中，水凝胶导电分子之间的距离增加，导致电阻增加。在0%~40%和40%~100%的应变范围内，AGP水凝胶的GF值分别为0.99与0.41，如图7（a）所示。AGP水凝胶在0%~100%应变范围内对应的相对电阻变化如图7（b）所示，20%应变下相对电阻变化率为29.2%，40%应变下相对电阻变化率为45.6%，60%应变下相对电阻变化率为54.9%，80%应变下相对电阻变化率为63.5%，100%应变下相对电阻变化率为69.1%，相同应变幅度的信号对应的相对电阻变化率几乎相同，表明AGP-40水凝胶对应变检测具有良好的准确性与稳定性。

图7（c）是AGP-40水凝胶在监测人体手指弯曲运动时的相对电阻变化-时间曲线，在手指快速弯曲并回复时，传感器能准确记录手指弯曲变化，重复多次测试仍然表现出良好的稳定性；图7（d）是手指在连续弯曲30°、60°、90°时的相对电阻变化-时间曲线，AGP-40水凝胶的传感响应随手指弯曲幅度的增加而增加，这是由于随着手指弯曲幅度的增大，水凝胶的电阻也随之增大而产生的结果。图7（e）是AGP-40水凝胶在监测手腕连续弯曲时的相对电阻变化-时间曲线，也展示出了良好的响应性，能连续准确地收集传感信号。图7（f）是测试人员在进行吞咽动作时水凝胶的相对电阻变化-时间曲线，由图7（f）可知AGP-40水凝胶对微小应变也可产生传感响应且传感信号稳定、连续。综上测试可知，AGP-40水凝胶具有良好且稳定的传感性能，能够对微小应变（吞咽）以及大幅度应变（手指弯曲、手腕弯曲）产生对应的传感信号，因此，AGP-40水凝胶可应用于人体生理活动监测有关领域。

3 结 论

本文以GG和PAM相互作用形成交联网络，PPy作为导电物质，制备了一种具有良好的延伸性、韧性、快速自恢复能力和具有传感响应性的AGP水凝胶。实验表明，AGP水凝胶具有良好的拉伸回复性能、良好的力学性能（158.9 kPa）以及高的断裂伸长率（936.4%）。将AGP水凝胶用于检测人体生理活动时，对微小应变以及大幅度应变均能产生对应传感信号，且表现出优良的稳定性与准确性。因此，这种以GG、PAM以及PPy为原材料制备的水凝胶具有多种优良特性，有望广泛用于可穿戴电子设备以及人体活动监测器中。