【摘 要】
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柔性传感器作为柔性可穿戴设备的核心部件,在电子皮肤、人体运动监测和人机交互等领域具有广阔的应用前景。水凝胶具有良好的生物相容性和力学性能可调性,已成为柔性传感材料的研究热点。然而,目前报道的大多数水凝胶存在无法兼顾机械性能,抗冻性能,粘合性能和自愈合性能的问题,且灵敏度低和传感能力单一。针对以上问题,本论文旨在设计和开发多功能水凝胶,通过在碱性环境下利用聚多巴胺还原氧化石墨烯(polydopami
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柔性传感器作为柔性可穿戴设备的核心部件,在电子皮肤、人体运动监测和人机交互等领域具有广阔的应用前景。水凝胶具有良好的生物相容性和力学性能可调性,已成为柔性传感材料的研究热点。然而,目前报道的大多数水凝胶存在无法兼顾机械性能,抗冻性能,粘合性能和自愈合性能的问题,且灵敏度低和传感能力单一。针对以上问题,本论文旨在设计和开发多功能水凝胶,通过在碱性环境下利用聚多巴胺还原氧化石墨烯(polydopamine-reduced graphene oxide,PDA-rGO)作为导电网络,结合聚丙烯酰胺(polyacrylic amide,PAM)化学交联网络,制备了两种多功能水凝胶并探讨了其在柔性传感器中的应用。1、受贻贝仿生化学和溶剂置换策略的启发,以自聚合多巴胺还原氧化石墨烯(PDA-rGO)为导电填料,利用海藻酸钠(SA)和丙烯酰胺(AM)物理和化学双交联制备了PDA-rGO/SA/PAM复合有机水凝胶。该水凝胶展现出了优异的抗冻性能(-40°C)和高拉伸强度(143.2 k Pa)。同时在-20°C~60°C的宽温度范围内表现出了高温敏性,在-5°C~-20°C的温度范围内电阻温度系数(temperature coefficient of resistance,TCR)达97.60。此外,该水凝胶组装成柔性应变传感器时,具有优异的灵敏度(ε=250%,GF=2.09)、宽应变检测范围(0%~250%)以及快速响应性(响应时间200 ms),并且能够监测人体的大幅度运动(如手指弯曲,手腕弯曲)和微小幅度运动(如鼓腮、皱眉),研究结果表明该多功能水凝胶在人体健康监测和智能可穿戴设备中具有广阔的应用前景。2、针对PDA-rGO/SA/PAM水凝胶粘附性差且无法实现自修复的问题,通过在弱碱性环境下利用多巴胺自聚还原GO,并在体系中引入聚3,4-乙基二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS),结合多重氢键作用以及溶剂置换策略,成功制备出了集可拉伸性(断裂伸长率为1350%)、抗冻性(-40°C可保持24 h)、自愈合性(自修复率90%)、可回复性(回复率93.8%)、粘附性(粘附强度10.4 k Pa)于一体的多功能PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM复合有机水凝胶。该水凝胶具有高温敏性,其温度检测范围为-40°C至60°C,并且在-20°C~-40°C的温度区间内其TCR达127.54。当该水凝胶组装成柔性应变传感器时,其灵敏度GF达3.91(ε=500%)、响应时间为90 ms,可准确监测手指弯曲、手腕弯曲和面部运动等人体运动行为;在实际应用场景中,可贴于瑜伽运动器材上监测人体的上肢运动,还可贴附于颈托上用于监测人体颈部康复运动。3、基于PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM有机水凝胶柔性应变传感器,开发了一款“智能手套”,通过蓝牙模块将手指运动行为的数据同步传输到手机APP上,实现了对手指运动行为的实时显示和监测。为水凝胶基可穿戴电子设备在宽温度范围内的人机交互、智能健身设备以及智能康复医疗设备的研究与应用提供了新的思路。
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