聚乙烯醇功能复合凝胶的构建及其耐温性能

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柔性导电器件具有良好的弹性、延展性和导电性,已引起研究人员的广泛关注,在医疗诊断、传感、人工智能等领域极具应用前景。导电水凝胶由于其独特的柔韧性、导电性和生物相容性,作为柔性导电器件具有明显的优越性。然而,在低于水冰点或高于沸点的温度范围内,水凝胶将由于水的冻结或蒸发而失去其固有的弹性和功能,这严重限制了它们在苛刻温度条件下的潜在应用。因此,基于严苛条件下使用的凝胶的设计和功能化对于拓宽其应用领域尤为重要。本论文首先通过丙烯酰胺(AM)与乙烯基改性二氧化硅纳米粒子(VSNPs)的化学交联,结合聚乙烯醇(PVA)微晶的物理交联和乙二醇/H2O/氯化钾(KCl)三元分散体系中的氢键,制备了一种强韧、耐冻和导电的纳米复合互穿有机水凝胶。乙二醇与水分子之间的强氢键相互作用不仅可以防止有机水凝胶在低温下结冰,而且还可以阻碍水分子在空气中蒸发,赋予凝胶抗冻性和长期耐久性。由于乙二醇的加入,复合凝胶拉伸强度提高了约43%。将KCl作为金属电解质,游离的离子在电场作用下自由移动,赋予复合凝胶良好的导电性能。重要的是,金属离子的水合作用诱导了网络中疏水域的形成,可作为可逆的交联点,提高了有机水凝胶的抗拉强度。本研究为凝胶基电子器件在低温条件下的应用提供了有效的制备途径。在上述实验基础上,用离子液体代替水/乙二醇作为分散相,制备了一种力学性能优异、传感性能稳定、可在宽温域下使用的聚乙烯醇导电离子凝胶。用离子液体作为分散介质,使离子凝胶具有耐高低温的性能,可以应用到极端温度环境中。同时,复合凝胶具备优异的力学性能,强度达到5.98 MPa,与水凝胶相比,提高了大约664%,且优异的力学性能在高低温环境中也能保持。由于离子液体优异的电化学性能,复合凝胶具备良好的导电和传感性能,具有用作传感器的潜力。离子液体的难挥发性,使复合凝胶可以在真空或高温环境中保持较好的稳定性。基于此凝胶体系突出的宽温域力学性能、优异的导电和传感性能以及良好的稳定性,该体系有望用作极端温度下的柔性电子领域,在较大程度上拓展了凝胶体系的应用场景。
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