【摘 要】
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水凝胶作为一种三维网络结构的湿软材料,具有独特的溶胀性、韧性、多孔性和生物相容性,被广泛运用于药物的控制释放、伤口敷料、染料吸附、柔性传感器等领域。其中,导电水凝胶作为一种特殊的柔性导电材料,推动了柔性电子设备的出现与发展。但由于自身强度不高,导电水凝胶的应用受到了一定的限制。在近几年的研究中,离子交联水凝胶被证明能够在保证高强度的基础上,具备良好的导电性、形变响应性与抗冻性。然而,单一的形变响应
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水凝胶作为一种三维网络结构的湿软材料,具有独特的溶胀性、韧性、多孔性和生物相容性,被广泛运用于药物的控制释放、伤口敷料、染料吸附、柔性传感器等领域。其中,导电水凝胶作为一种特殊的柔性导电材料,推动了柔性电子设备的出现与发展。但由于自身强度不高,导电水凝胶的应用受到了一定的限制。在近几年的研究中,离子交联水凝胶被证明能够在保证高强度的基础上,具备良好的导电性、形变响应性与抗冻性。然而,单一的形变响应的导电水凝胶应用场景依然十分有限,一部分研究者把目光投向了多重响应水凝胶。目前已知的多重响应,尤其是包含温度响应的水凝胶,强度普遍较低,制备具有高强度的温度/形变双重响应水凝胶仍旧是一项挑战。基于这些挑战,我们采用两步法离子交联策略制备了导电水凝胶:首先通过化学交联制备水凝胶基体,再通过浸泡法使离子渗入凝胶内部形成离子交联。主要研究内容包括:(1)使用短链CS改性HNTs制备HNTs@CS,与AM、AA单体混合并聚合形成纳米复合水凝胶基体,再通过分别浸泡Fe3+与SO42-溶液,制备离子交联水凝胶DN-gel。探究了水凝胶的最佳配比,制备的水凝胶最大拉伸强度可达3.96 MPa、断裂伸长率可达494%、模量达4 MPa。同时,制品具有超高的抗压缩性能,在85%应变下的压缩强度可达13.4 MPa,且具备良好的自恢复性能。DN-gel表现出独特的抗溶胀性,在去离子水中浸泡后的质量几乎不变。且DN-gel在去离子水中交联网络结构发生重组,刚性增大,拉伸强度可达5.64 MPa,模量增至15 MPa,断裂伸长率下降至149%。DN-gel内部存在大量游离的离子,可在外加电场条件下发生迁移,具有良好的导电性能与形变响应性。水凝胶具有抗冻性能,在-20℃下仍旧保持良好的柔性。(2)制备了半互穿CS/Poly(NIPAm-co-AA)水凝胶基体,由单体NIPAm、AA化学交联形成聚合物网络,CS链穿插在网络中。将水凝胶基体分别浸泡Fe3+与SO42-溶液,制备了具有温度、形变双重响应性能的导电水凝胶PNIDN。研究了单体配比、离子浓度与浸泡策略对水凝胶力学性能的影响,并进一步探究了PNIDN的交联过程与交联机理。PNIDN具备高拉伸强度(2.04 MPa)、高模量(0.43 MPa)以及良好的断裂伸长率(225.3%),其力学性能与导电性能都具有良好的循环稳定性。PNIDN能实时监测人体的一些简单动作如屈指、皱眉、握拳等,监测响应速度快(0.6 s),监测结果可重复性好,且不同种运动的波形具有一定的特异性,可用于精确监测一些细微的肌肉运动。同时,PNIPAm的加入为水凝胶赋予了良好的温度响应性能。当温度改变,PNIDN的紫外光透过率、电阻具有明显的响应效果。PNIDN在室温状态下接触体温后可由透明变为不透明。当温度低于24℃时,温度升高对体系光透过率影响不大,而当温度从24℃上升至26℃时,光透过率从42%骤降至20%。当水凝胶温度从25℃升至50℃时电阻快速降低。而当温度从50℃降至0℃时,电阻在经过一定的反应时间后快速上升。
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