聚乙烯醇基导电水凝胶的制备及传感应用研究

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导电水凝胶是一类具有良好的电化学性能、机械性能可调控性优良、并且加工性强的材料。除此之外,导电水凝胶兼具生物相容性能,使得其在可穿戴电子设备、电子皮肤、人机交互等领域具有广泛的应用前景。然而制备具有优异的机械性能、高的灵敏度、宽的检测范围的水凝胶电子传感器仍然存在挑战。针对此问题,本文以聚乙烯醇作为高分子基体,探究了如何有效构建不同网络结构的导电复合水凝胶,并开展了其传感应用的研究。论文的主要工作如下:首先制备了聚苯胺掺杂聚乙烯醇的单网络导电复合水凝胶。以聚乙烯醇为高分子主链、戊二醛为化学交联剂、植酸为掺杂剂及催化剂,利用原位聚合的方法将聚苯胺导电填料均匀生长在水凝胶基体中,解决了聚苯胺这种导电高分子难以在柔性电子器件中应用的问题。该水凝胶传感器具有出色的拉伸应变灵敏度(GF=3.4,0-300%)和压缩应力灵敏度(0.62 k Pa-1,0-1.0 k Pa)、优异的机械强度(1.2 MPa,670%)、突出的压缩耐疲劳性能(1500次循环),可应用于人体运动检测及声音识别,并实现动态压力的实时监测。为了进一步拓宽聚乙烯醇基水凝胶传感器的监测范围、提高其机械强度,我们以聚乙烯醇为高分子柔性主链、羧甲基纤维素钠为韧性副链,丹宁酸为增强体、采用MXene这种富含亲水基团的二维导电介质,采用简单多次冻融法制备了纯物理交联的双网络导电水凝胶。制备出的水凝胶应变传感器具有更宽的应变检测范围(0-700%)及良好的灵敏度(GF=2.9)。此外,该传感器还拥有更高的机械强度(1.8 MPa,740%)、更佳的拉伸耐疲劳性能(3000次循环),且能够进行人体运动行为的监测及各类外部微小压力变化的感知。本工作通过对聚乙烯醇基水凝胶网络结构的设计,达到其传感性能的调控,为水凝胶制备可穿戴柔性电子设备提供了新思路。
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