高强韧、自愈合导电双网络水凝胶的制备及在柔性传感器中应用研究

来源 :湖南工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dorothyhe
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导电水凝胶结合了传统水凝胶的柔韧性以及导电填料(导电聚合物、导电离子、碳基材料)的电化学特性,近年来在可穿戴柔性传感器、健康检测和人机交互等领域具有广泛的应用前景。然而,目前所报道的导电水凝胶往往存在力学性能差、缺乏自愈性等缺点,严重限制了导电水凝胶的实际应用。因此,本论文致力于开发高强韧、自愈合导电双网络水凝胶,并探究其在柔性传感器的应用,开展了如下研究工作。具体地讲,本论文的研究内容包括以下两个方面:(1)高强韧、自粘附Li+/agar/p HEAA导电双网络水凝胶的制备及柔性应变传感器的应用研究本章中采用一锅法制备了Li+掺杂琼脂/(N-聚(羟乙基)丙烯酰胺)导电双网络水凝胶(Li+/agar/p HEAA DN水凝胶),并将其组装成应变传感器用于人体运动监测。Li+的掺入不仅赋予了水凝胶高导电性,而且还增强了agar与p HEAA网络之间的相互作用,从而增强其力学性能。在Li+含量适宜(0.8 wt%)的条件下,Li+/agar/p HEAA DN水凝胶具有优异的力学性能(断裂应力1.18 MPa,断裂应变860%),以及良好的自愈性和自修复性。由于p HEAA网络中含有大量的酰胺和羟基官能团,制备的水凝胶在各种无孔固体表面(如铝、玻璃、钛、不锈钢)上显示出很强的粘附性,水凝胶与基体间的多重氢键作用使其界面韧性达到920-1130 J/m~2。基于Li+/agar/p HEAA DN水凝胶具有优异的韧性、表面粘附性和导电性,可组装成应变传感器用于监测人体关节运动和声带振动。该Li+/agar/p HEAA DN水凝胶应变传感器在医疗保健管理、疾病诊断和人工电子皮肤方面具有广泛的应用前景。(2)高强韧快速自愈合导电水凝胶的制备及柔性应变传感器的应用研究本章中通过将具有光热转换特性的Sb2S3@PPy-DA纳米复合材料引入PVA/p HEAA双网络水凝胶中,构建近红外光致快速自愈合导电水凝胶应变传感器用于人体健康监测。为此,通过水热法合成了三硫化二锑(Sb2S3)纳米棒,并在其表面包覆聚吡咯(PPy)以增强导电性形成Sb2S3@PPy,利用多巴胺(DA)对其进行表面改性,以获得亲水性的Sb2S3@PPy-DA纳米复合材料。以合成的Sb2S3@PPy-DA作为交联剂和导电填料引入硼酸交联的聚乙烯醇中为第一网络,物理交联的聚N-羟基丙烯酰胺为第二网络,甘油-水混合溶剂作为分散介质,构建了近红外光致快速自愈合导电水凝胶(SPOH)。在优化的条件下,SPOH表现优异的力学性能(断裂应力1.25 MPa,断裂应变620%),Sb2S3@PPy-DA的引入不仅使水凝胶具有高导电性,而且光热转换效应赋予水凝胶快速自愈合的特性。同时,SPOH显示出优异的抗冻性能(在-20℃下不结冰)、自粘附性(在玻璃上界面韧性达257.8 N/m)和出色的应变响灵敏因子(GF=4.97),组装成应变传感器和生物势电极以精确监测人体生理信号。此外,通过将水凝胶与两层粘性Ecoflex组成三明治状器件,以制备获得自供电传感器能够有效收集能量,其短路电流为6.4μA,开路电压为282.2 V,短路转移电荷为110 n C。这些突出的优势使SPOH在可穿戴柔性应变传感器、生物电极和医疗保健管理等领域具有巨大的应用潜力。
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