基于环糊精交联的导电水凝胶的构建及感应性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhang332974789
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柔性传感器具有检测应力和应变等环境刺激信号变化的性能,在人机交互、健康监测和智能穿戴等领域的应用前景广阔。其中,用于柔性传感器的材料最为关键,需要满足优异的力学性能、高线性灵敏度、宽泛的检测范围及在极端环境下仍保持较高的导电性、良好的稳定性和可重复性等特点。然而,现有的柔性导电材料通常功能较为单一或者性能有一定缺陷,难以满足柔性传感器对材料的需求。离子导电水凝胶由于其具有柔性、机械性能突出和高透明等特性,在柔性传感器领域引起了广泛关注。但目前离子导电水凝胶仍然存在低机械性能和导电率,传感灵敏度不理想或呈非线性关系以及缺乏多功能化设计等问题。本论文针对这些问题,基于β-环糊精(β-CD)及其衍生物,构筑了一系列功能化离子导电水凝胶,系统研究了其微观结构、物理和电化学等特性,并探讨了该类离子导电水凝胶作为柔性传感器的感应性能和应用潜力。本论文研究的主要内容包括如下三个方面:(1)以聚乙烯醇(PVA)为主链、β-CD为物理交联剂,通过采用全物理方法引入聚丙烯酸(PAA)短链和氯化钾(KCl)导电离子来制备PVA/β-CD/PAA多功能离子导电水凝胶。在多重氢键的协同作用下,该水凝胶显示出高透明度(89%)、高拉伸强度(1.73 MPa)和压缩强度(22.27 MPa)、良好的可拉伸性(630%)和离子导电率(高达3.03 S m-1)。其中,β-CD作为物理交联剂的同时也提高了该水凝胶的透明度;PAA的引入不仅增强了离子导电水凝胶的机械强度,还赋予了其对pH、有机溶剂、应力和应变良好的响应能力。该水凝胶作为多功能传感材料在柔性可穿戴传感器等领域具有较大的应用潜力。(2)在水溶液体系中,以丙烯酰胺(AM)、明胶(Gel)、氧化β-CD(O-β-CD)和氯化钠(NaCl)为主要原料,通过一锅热聚合法制备了PAM/O-β-CD/Gel多功能离子导电水凝胶。在化学和物理键的动态协同作用下,该水凝胶具有高透光率(高达89%)、高可拉伸性(1200%)和导电率(高达5.33 S m-1)。其中,O-β-CD交联剂可与PAM和Gel分别生成非共价键和共价键;NaCl的引入也提高了该水凝胶的离子导电率。因此该离子导电水凝胶在作为柔性传感器时,对应变和压力表现出超高的灵敏度和稳定的可重复性,使其在检测人体大小幅度运动的应用上具有精确的检测识别能力。3)在上述研究工作的基础上,赋予水凝胶抗冻、抗干燥和温度-应变、温度-压力双重感应性能,使其可适用于复杂环境,拓宽适用范围。在甘油-水混合溶液体系中,以AM、Gel、O-β-CD和NaCl为主要原料,采用一步热聚合法制备了PAM/O-β-CD/Gel/Gly多功能离子导电水凝胶。动态交联的网络结构使该水凝胶传感器具有超高的拉伸性(>3800%)。而甘油-水体系也使该水凝胶具有抗冻(-40℃)和抗干燥性能(50℃)。此外,该水凝胶也具有超高的温度-压力感应性能(在-20℃下,GF值达1.10),超大的应变工作范围(0%~1400%在-40℃)和稳定的可重复性。所以该水凝胶可以作为柔性可穿戴传感器来检测人类运动包括手腕和手指的弯曲,甚至包括吞咽,说话等一系列小幅度的生理活动。除此之外,该水凝胶也可以作为退热贴来重复使用。因此,该水凝胶在健康监测和医用设备创制等生物医学领域具有良好的应用潜力。
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