【摘 要】
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离子导电水凝胶具备优异的透明性、良好的生物相容性和较好的灵敏度等优点,在人机交互界面、传感器和生物医疗器件等领域展现了广阔的应用前景。目前,构建性能稳定的多功能离子导电水凝胶仍然是研究者们面临的关键挑战之一,针对这一问题,本论文设计并构筑了一系列具有良好机械性能、愈合性能、可控透明性、导电性能、高灵敏度以及高稳定性的离子导电水凝胶,并探索了其作为柔性传感器在人体运动监测等方面的应用。具体包含下面三
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离子导电水凝胶具备优异的透明性、良好的生物相容性和较好的灵敏度等优点,在人机交互界面、传感器和生物医疗器件等领域展现了广阔的应用前景。目前,构建性能稳定的多功能离子导电水凝胶仍然是研究者们面临的关键挑战之一,针对这一问题,本论文设计并构筑了一系列具有良好机械性能、愈合性能、可控透明性、导电性能、高灵敏度以及高稳定性的离子导电水凝胶,并探索了其作为柔性传感器在人体运动监测等方面的应用。具体包含下面三方面内容:(1)构建了基于可逆氢键作用的聚乙烯醇/氯化钠水凝胶(PVA-NaCl水凝胶)。系统研究了该水凝胶的机械性能、黏附性能以及自愈合性能,探究了外加NaCl对水凝胶在力学性能、导电性、传感稳定性以及传感灵敏度的影响,探索了该水凝胶作为柔性传感器对空气环境和水下环境中的人体手指弯曲运动进行监测,为后续发展高力学性能、高灵敏度以及高传感稳定性的离子导电水凝胶奠定了基础。(2)构筑了基于氢键和静电作用的聚乙烯醇/聚丙烯酸钠水凝胶(PVA-PAANa水凝胶)。利用PAANa与PVA链段之间的氢键以及PVA自身链段之间的多氢键特征,赋予水凝胶自愈合功能、黏附功能以及优良的力学性能。全面研究了水凝胶的机械性能、导电性能、黏附性能、自愈合能力以及离子保留能力,该水凝胶具有较好的电导率(0.11 S/m)和离子保留特性(电导率保留率40%),可实现空气与水环境中人体指关节、脉搏跳动等生理运动信号的实时监测。(3)基于氢键及静电相互作用,构建了聚乙烯醇/聚丙烯酸钠/聚烯丙胺双网络水凝胶(PVA-PAANa-PAH双网络水凝胶)。与单网络离子水凝胶(PVA-NaCl水凝胶、PVA-PAANa水凝胶)相比,PVA-PAANa-PAH水凝胶具有优异的机械性能(其断裂应力:0.86 MPa,最大应变:768%)、更强的黏附性能(黏附强度:4.62 k Pa)、高传感灵敏度(拉伸灵敏度(GF):1.64,压缩传感灵敏度:0.246 k Pa-1)和高传感稳定性(循环稳定性:90%,应变100%,循环100次)。基于PVA-PAANa-PAH双网络水凝胶优异的传感灵敏度和稳定性,探究了其在人体运动监测与生理信号监测等方面的应用,实现了对大应变如走路和跳远和小应变如笔迹、语音、脉搏跳动、水滴滴落等的精准监测,也可实时监测人体心电信号变化。基于其湿度可调透明度特性(湿度:15%~75%,可见光波长透光率:7.9%~79.04%),实现了信息的保密与读取。这表明该水凝胶可作为柔性传感器在软机器人、人机交互界面、生物医疗设备和运动监测等方面应用前景广泛,为构建高导电、高柔韧性、高稳定性以及多应用场景的柔性电器设备提供了新方法。
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