基于丙烯酰胺可拉伸电致变色水凝胶的设计、制备及性能研究

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近年来,柔性电子成为国际研究的热点,吸引了国内外众多学者的研究兴趣和科技产业界的广泛关注。科研人员对可通过外界刺激实现光电性质调节的智能响应型柔性光电材料尤为关注,它们在有机电子学领域中展现巨大的潜力。其中,柔性电致变色器件在新型智能显示、建筑智能窗、汽车后视镜、智能眼镜等众多领域得到广泛应用。然而,目前柔性电致变色器件存在力学性能及自修复性能较差的问题,亟需发展新型的柔性电致变色材料解决该问题。本论文以丙烯酰胺(AAm)水凝胶与刺激响应材料相结合,制备了一类柔性电致变色器件,主要研究内容如下:1.基于丙烯酰胺电致变色水凝胶的制备及性能研究本章以过硫酸铵和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为引发剂和交联剂,通过AAm单体自由基聚合形成的聚丙烯酰胺(PAAm)作为水凝胶基质。首先,加入酸化的碳纳米管(CNTs)作为导电填料和增韧剂,改善水凝胶的导电性能和力学性能;其次,引入k-卡拉胶网络赋予水凝胶自愈性能;最后,将聚二乙炔(PCDA)涂覆于水凝胶表面赋予水凝胶电致变色性能,成功制备了CNTs/PAAm柔性电致变色水凝胶。通过应力-应变测试表征水凝胶的力学性能,发现优化CNTs和AAm的质量比,所获得的CNTs/PAAm电致变色水凝胶不仅可以承受大范围的拉伸(1800%)、压缩、折叠,并且在水凝胶完全断裂后通过简单加热即可实现力学性能修复,拉伸性能的修复效率能够达到100%。在水凝胶两端施加一定电压,会发生蓝色到红色的显著变化,并且其变色的临界响应电流与CNTs和AAm的质量比密切相关。最终,制备的水凝胶成功用于可穿戴设备的电子组件,实现对电流的高效检测。2.基于丙烯酰胺酸碱响应水凝胶的制备及性能研究本章对PCDA进行端基修饰,合成了3-(二十五烷–10,12–二炔酰胺)苯甲酸(PDAm Bz A)。然后将PDA-m Bz A制备成纳米粒子,使其在丙烯酰胺水凝胶中均匀分散,同时引入能在电场作用下发生氧化还原反应的“电碱分子”对苯醌(p-BQ)。通过电场刺激调控水凝胶内的p H值,制备的水凝胶会由淡黄色变成不透明的棕色,其颜色会随着电压加大而变深。应力-应变测试表明水凝胶具有良好的力学性能,可以承受大范围的拉伸(400%)。此外,制备的水凝胶材料具有良好的粘附性,能够吸附在各种物质表面。该工作为提高柔性电致变色水凝胶的透明性提供了新的解决方案和设计路线,为开发具有高透明性能的柔性电致变色水凝胶可视窗口提供了新思路。
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