聚二甲基硅氧烷纤维的制备及其用作柔性光电材料的应用研究

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随着材料科学与技术的进步,柔性功能材料、可穿戴器件、仿生工程、生物医药等领域进入高速发展阶段,具有光导性或导电性的柔性光电材料成为未来柔性可穿戴材料发展的趋势。聚合物功能纤维因其出色的可变形性,包括可弯曲性、可拉伸性和可扭转性,在可穿戴应用中引起了极大的关注,成为柔性光电材料领域的理想备选材料之一。然而,现有的聚合物纤维制备方法对聚合物选择上有着较高的要求,在制备不具有热塑性和快速化学交联能力的聚合物时面临着难以量产、连续且可控制备的难题,限制了一些具有优良性能的聚合物材料的纤维材料制备,及其面向柔性光电领域的推广和应用。本论文围绕具有优良力学和光学性能的聚二甲基硅氧烷(PDMS),针对其纤维材料难以可控且批量制备的难题,建立了一种基于同轴针头的微流控纺丝技术,能够将PDMS及一类与其具有类似性质的聚合物加工成纤维材料,并进一步研究了这些纤维的性能与应用潜力。成功制备了不同型号PDMS及一些与其具有类似交联行为的聚合物纤维材料,这些纤维具有超长长度、形貌尺寸可控且力学性能优异等优点。揭示了微流控针头的设计搭配和液体流速对纤维形态的影响规律,通过导电添加剂对PDMS纤维进行了导电改良以实现柔性电子材料的制备,并对高透光PDMS纤维的光学性能进行评估,系统的研究了PDMS纤维在电阻式力学传感器、光学应变传感器中的应用。论文主要内容如下:(1)开发了一种基于同轴针头的微流控方法,以PDMS或其他慢交联聚合物为内芯,海藻酸钠水凝胶为外壳辅助进行微流控同轴纺丝。该方法能制备具有可控形态和超长长度的PDMS纤维。将该方法应用于Sylgard184和Sylgard SE1700两种PDMS预聚体的纺丝,通过控制海藻酸钠流速和PDMS流速,制备了均匀、超长且形态可控的柔性纤维,验证了微流控同轴纺丝法的可行性。另外,通过其他聚合物(Ecoflex、单组分玻璃胶、双组份聚氨酯、单组份聚氨酯)的拓展研究,验证了该方法对其他一些类似聚合物预聚体的普适性。(2)采用Sylgard184 PDMS混合碳纳米管(CNT)导电添加剂的策略,通过同轴针头的微流控纺丝方法,制得了一种具有导电性、超长长度和高拉伸性(135%)的碳纳米CNT/PDMS复合导电硅胶纤维。对影响CNT/PDMS导电硅胶纤维性能的因素进行了研究,调控和优化了CNT/PDMS导电硅胶纤维的尺寸和性能。以CNT/PDMS导电硅胶纤维构建的柔性力学传感器灵敏度高(GF=2.009),响应快速(270 ms),且耐久性强(超过10000次循环拉伸),并验证了其用于监测人体关节运动行为的能力。(3)基于微流控同轴纺丝方法,制备得到了不同尺寸的Sylgard184 PDMS纤维,该纤维具有高透光性、导光性和高拉伸性(195%)。对影响PDMS光学纤维性能的因素进行研究,调控和优化了PDMS光学纤维的尺寸和性能。以PDMS纤维构筑的光学应变传感器感器灵敏度高、响应速度快(160 ms)且稳定性和耐用性高(大于10000次循环拉伸),并且验证了其用于检测触摸压力和脉搏跳动等人体力学信号的能力。
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