基于秋葵多糖自修复导电水凝胶的制备及性能研究

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随着智能电子设备的高速发展,人们对用于制造设备的材料提出了更高要求。目前对导电水凝胶的研究主要集中在提高力学性能和传感灵敏度上,而一旦损坏就丧失功能无法继续使用,限制了其在可穿戴设备领域的应用。因此,制备兼具良好的力学性能,优异的传感灵敏性和自修复性的导电水凝胶成为传感器研究的新趋势。本文采用可逆氢键与硼酸酯键相结合,制备了三种基于生物质材料的自修复导电水凝胶传感器。探究了不同材料对水凝胶力学性能、自修复性和电性能等的影响。主要研究内容归纳如下:(1)以秋葵多糖(OP)和聚乙烯醇(PVA)作为水凝胶基质,在硼砂(Borax)的交联作用下制备了一种秋葵多糖/聚乙烯醇/硼砂(OPB)双网络水凝胶,然后以银纳米线作为导电材料,组装成三明治结构应变传感器。对该水凝胶及其传感器的结构、形貌与性能等进行表征测试。测试结果表明,当OP:PVA=0.3:0.7时,OPB水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率分别为23.3 k Pa,1073.7%,与未添加OP的PVA水凝胶相比提高了近一倍。OPB水凝胶在5 min时的自修复效率为93.6%。OPB水凝胶基传感器的电导率为2.7×10-2 S/cm,在300%应变下的灵敏度系数为6.34。(2)采用一步反应法合成了单宁酸包覆的纳米纤维素晶(TA@NCC)杂化物,然后以TA@NCC作为纳米增强填料,OP和PVA为水凝胶基质制备了TA@NCC增强的OPB水凝胶(TA@NCC/OPB)。测试结果表明,当NCC:TA=1:2时,TA@NCC/OPB水凝胶的断裂伸长率达到最大值为1237.4%,相比于TA@NCC-1/OPB水凝胶的断裂伸长率683.9%提高了约一倍。TA@NCC/OPB水凝胶在9 min时的自修复效率为62.1%。TA@NCC-4/OPB水凝胶的电导率为7.4×10-3 S/cm,在300%应变下的灵敏度系数为1.74。(3)以海藻酸钠分子链作为第三网络,与OP、PVA协同作用共同构建了水凝胶强韧的分子骨架,再以TA@NCC作为增强相,通过一锅法成功制备了秋葵多糖/聚乙烯醇/海藻酸钠(OPS)水凝胶。OPS-3水凝胶与OPS-1水凝胶相比,拉伸强度从15.1 k Pa提高到22.9 k Pa,断裂伸长率从844.0%提高到1237.5%,大约提高了0.5倍。OPS水凝胶在9 min时的自修复效率为93.8%。OPS-3水凝胶的电导率为8.8×10-3 S/cm,在300%应变下的灵敏度系数为1.81。
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