基于聚乙烯醇导电复合水凝胶的制备及其性能研究

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导电水凝胶作为一种柔性导电材料,由于其良好的导电性、稳定性、多孔网络结构、粘弹性、拉伸性以及生物相容性,越来越受到众多科研工作者的青睐。然而,绝大多数的导电水凝胶材料或多或少的存在一些不足,从而止步于实验室阶段。目前,设计和制备导电水凝胶材料仍有一些问题和挑战需要克服。首先,随着使用频率和时间的增加,水凝胶材料不可避免地会受到机械损坏并丧失部分或全部功能。第二,水凝胶作为一种软湿材料,机械强度较差限制了其在众多领域的应用,在不牺牲其他性能的情况下改善机械性能仍是一个挑战。第三,随着物质生活水平的提高,性能单一的水凝胶已经不能满足现代化应用需求。因此,开发多功能高性能的导电水凝胶和拓宽导电水凝胶实际应用领域是主流研究方向之一。本文先制备了铁酸锌/碳纳米管/聚吡咯(Zn Fe2O4/MCNTs/PPy)三元复合粒子,随后将复合粒子引入聚乙烯醇(PVA)-硼砂双网络水凝胶,通过动态可逆硼酸酯键和氢键构建了一种多功能导电水凝胶。该水凝胶具有良好的力学性能、导电性能、自修复性能和磁性能等。结果表明,当ZF/MCNTs/PPy粒子的含量为1 wt%时,复合水凝胶的综合力学性能最佳,断裂应变为898%,断裂应力为556.4 k Pa。宏观的自修复实验及自修复机理表明,复合水凝胶中的动态硼酸酯键和氢键使其具有室温下快速自修复的能力,断裂的水凝胶在10 min内即可完成自修复。由于复合粒子的作用,水凝胶具有磁性并且可以被磁铁吸住,饱和磁化强度为4.10 emu·g-1。复合水凝胶具有导电性,电导率为0.3465 S·m-1,可作为导电元件连接电子电路点亮LED小灯泡。这种掺杂ZF/MCNTs/PPy三元粒子的复合水凝胶的制备工艺较为简便,不同功能相结合使其有望成为一种能应用在不同领域的多功能材料。另外,本文对碳纤维的表面进行改性,制备了一种碳纤维/聚吡咯(CFs/PPy)的无机/有机导电粒子,再将复合粒子分散在PVA水凝胶基质中,以硼砂为两者的动态交联剂,建立了一个通过硼酸酯键和氢键组合增强的自修复导电复合水凝胶。该水凝胶具有良好的导电性、应变敏感性、优异的自修复性能和不俗的机械性能。结果表明,当CFs/PPy的含量为2 wt%时,复合水凝胶的综合力学性能最佳,断裂应变为903%,断裂应力为449.8k Pa,韧性为2555.83 k J·m-3。通过在光学显微镜下观察水凝胶的自修复过程以及宏观力学拉伸测试发现,所制备的复合水凝胶展现出快速、高效和可重复的室温下自修复的能力,断裂的水凝胶经过30 min自修复后最高可恢复94.9%的力学性能。该复合水凝胶的电导率最高可达1.05 S·m-1,并且具有良好的应变敏感性,其灵敏度(GF)最大可达5.94。以复合水凝胶为基础组装的传感器,可以监测多种人体动作包括手指、手腕、手肘和喉咙的实时活动。自修复后的水凝胶也同样能表现出足够灵敏的传感行为,具有良好的稳定性和耐久性。该水凝胶传感器集成了多种功能,提高了实际应用的便捷性,在可穿戴柔性电子器件领域具有巨大的应用前景。
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