【摘 要】
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由于固有的柔性、导电性和类生物组织性,导电水凝胶逐渐成为制备柔性可穿戴设备的首选材料之一。然而,水凝胶在水环境中会不可避免地发生溶胀行为,这会极大地损害其力学和电学性能,进而阻碍其作为柔性可穿戴设备的水下应用。本论文着眼于上述问题,基于聚乙烯醇和两性离子设计了两种抗溶胀水凝胶,提出了一种水凝胶抗溶胀新策略,研究了抗溶胀水凝胶作为水下应变传感器的可行性,为开发新一代水下可穿戴设备提供了新的思路。具体
【基金项目】
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国家自然科学基金（21875094）； 甘肃省重点研发计划（20YF3NA008）；
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由于固有的柔性、导电性和类生物组织性,导电水凝胶逐渐成为制备柔性可穿戴设备的首选材料之一。然而,水凝胶在水环境中会不可避免地发生溶胀行为,这会极大地损害其力学和电学性能,进而阻碍其作为柔性可穿戴设备的水下应用。本论文着眼于上述问题,基于聚乙烯醇和两性离子设计了两种抗溶胀水凝胶,提出了一种水凝胶抗溶胀新策略,研究了抗溶胀水凝胶作为水下应变传感器的可行性,为开发新一代水下可穿戴设备提供了新的思路。具体研究内容如下:1.以聚乙烯醇为第一网络,甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱和甲基丙烯酰胺的共聚物为第二网络,盐酸为电解质,制备了双网络抗溶胀离子导电水凝胶（MS-H）。通过HCl调控两性离子的离子平衡状态,诱导甜菜碱单体质子化,降低了水凝胶的渗透压,实现了水凝胶的抗溶胀;通过引入甲基丙烯酰胺单体形成大量氢键,提升了水凝胶的力学性能。MS-H抗溶胀导电水凝胶具备很好的韧性(1086 kJ m-3)、抗溶胀性（水中浸泡7天的平衡溶胀率为23%）、离子导电性(4.8 S m-1)和传感性能,这为其应用于水下传感提供了有利条件。将该水凝胶开发为水下应变传感器,考察其对水下运动的监测性能,研究表明,该水凝胶应变传感器可以实现对水下运动的识别和感知。2.在前一个工作的基础上,制备了由聚（甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱-co-甲基丙烯酸羟乙酯）、聚乙烯醇和盐酸组成的双网络水凝胶（DN-FT-HCl）。该水凝胶具备高韧性(518 kJ m-3)和压缩模量（8.12 MPa）、离子电导率(4.58 S m-1)和杰出的抗溶胀性（水中浸泡30天的平衡溶胀率为9%）。基于该抗溶胀水凝胶开发了水下应变传感器,其具有高灵敏度（在0-100%、100%-200%和200%-300%应变下的灵敏系数为1.434、2.448和3.356）、快速响应和恢复（130 ms和200 ms）以及信号稳定（可循环1000次）等优点。将该应变传感器用于监测人偶的蛙泳等水下运动,研究表明,该水凝胶应变传感器可以成功实现对水下动作的实时有效识别。
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