碳纳米管复合聚丙烯酸钠导电凝胶的制备与性能研究

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近年来,导电水凝胶因具有优异的电性能、力学性能和生物相容性,在可穿戴柔性传感器等领域有着广泛的应用前景。但是,其粘附性和持久性较差的缺点,会导致器件存在接触电压不稳定、不易储存等缺陷,而限制了其使用。因此,制备一种具有较好粘附性与使用持久性的导电水凝胶具有重要的应用意义。本文以碳纳米管(CNT)作为导电填料,甘氨酸铝(AG)作为交联剂,酒石酸(TA)为交联调节剂,水和多羟基醇组成的二元溶剂为溶剂体系,利用Al3+交联的方式制备了两种复合导电水凝胶:(1)以聚丙烯酸钠(PAANa)和卡波姆(Carbopol)为凝胶基元,乙二胺四乙酸二钠(EDTA-Na2)为螯合剂,研究了水和乙二醇(EG)、丙三醇(GLY)、聚乙二醇400(PEG400)组成的不同二元溶剂体系对凝胶的导电性能、粘附性能、保水性能和流变性能的影响。结果表明,在一定范围内,随醇溶剂含量的提高,凝胶的粘附性能、保水性能和流变性能均提高,但导电性能降低。对比不同种类的醇溶剂,EG/水凝胶的电导率最高,PEG/水凝胶的储能模量(G′),损耗模量(G′′),稠度系数最高,而GLY/水凝胶的粘附强度、保水性能和持久稳定性最好。综合考虑,GLY可以被认为是最适合引入二元溶剂体系中的醇溶剂。该工作可以为类似的水/醇二元溶剂组成的凝胶性能研究起到一定的指导意义。(2)以部分中和聚丙烯酸钠NP-700为凝胶基元,水和GLY组成的二元溶剂为溶剂体系,研究了CNT、AG、NP-700含量对凝胶的导电性能、力学性能、表面粘附性能、流变性能、保水性能、溶胀性能、应变电阻敏感性能、耐高低温性能的影响。结果表明,制备的凝胶电导率最高可达0.814 S/m,最大拉伸强度可达18.26 kPa,最高断裂伸长率可达1076%,最大压缩强度可达3.523 MPa,且有较好的保水性能和较高的溶胀比,对猪皮、聚乳酸(PLA)、玻璃均表现出一定的粘附性。良好的耐高低温性能使凝胶在-20℃和50℃环境下储存24 h后仍能维持其原本的性能。同时,凝胶具有良好的应变电阻敏感性,电阻对拉伸、压缩、弯曲均有很好的敏感性,可以监测人体手臂弯曲、背部弯曲、喉部吞咽等一系列运动。
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