聚乙烯醇/聚吡咯复合水凝胶的制备与性能研究

来源 :长春工业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:sun_sun
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作为一种新型的“软湿”材料,水凝胶具有交联三维网络结构及高含水量的特性,在人机界面、柔性电子器件、软机器人等领域展示了广阔的应用前景。然而,由于微观网络不均匀和缺乏高效的能量耗散机制,传统水凝胶往往柔软易碎,不能达到实际应用中的力学性能要求。理想情况下,水凝胶作为新型可穿戴传感器的基本要求是可以随人体运动产生形变,同时还需要具备一定的强韧性、拉伸性、抗穿刺和抗摩擦等力学性能、更高的信息感知能力以及人体使用舒适度,这对水凝胶的结构设计和制备过程提出了更高要求。本文以提高材料各项力学性能和人体适配度为研究目标,通过流延铺膜和甘油-水二次水合的方法制备了强韧聚乙烯醇导电水凝胶薄膜,并对该体系在应变传感器领域进行了初步探索。首先针对水凝胶材料强韧、抗摩擦、抗穿刺力学性能不全面的问题,本文构建了一种基于晶体结构的新型导电水凝胶薄膜。通过引入由纤维素类衍生物分散的导电聚合物聚吡咯,构建了导电网络与柔性机械耗散网络形成的互穿网络。通过在网络之间建立氢键和π-π堆积等协同相互作用,可以同时实现水凝胶薄膜的多种优异力学性能,其中,断裂伸长率可达747%,韧性高达28.5 MPa且具备良好的耐摩擦性和抗刺穿性能。此外,本文选择生物相容性优良的材料作为原料制备的水凝胶薄膜还展示出优异的生物相容性,致密的网络结构赋予水凝胶薄膜抗溶胀的特性,聚吡咯的加入使得材料紫外线屏蔽作用大幅提高。其次,本文不同于以往灌注成型的方式,通过流延铺膜和二次水合方法制备的水凝胶薄膜厚度仅为0.11-0.20 mm,与电化学工作站联用组装的超薄应变传感器具备响应更加灵敏与使用舒适的特点。此外,超薄的结构不仅会降低信号传输过程中产生运动伪影的可能,也可以快速感知和传输微小形变过程中微弱的信号。研究发现,导电水凝胶薄膜在实验过程中表现出良好的应变灵敏性,灵敏因子可达2.1,响应时间仅为200 m S。同时,这种基于水凝胶薄膜的传感器不仅可以准确识别外界物体的表面纹理和粗糙度,如玻璃、刷子、木材和不同目数(80、50和24目)的砂纸,还可以记录人类生理信号和运动信号(例如:呼吸、手指弯曲、手腕上下活动)。这为开发新兴的软材料智能设备,如基于水凝胶的电子皮肤和软体机器人提供了一种新的途径。
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