高机械强度、透明、可自修复导电离子凝胶的制备和性能及其在柔性传感器中的应用
发布时间：2022-02-14 22:08
离子凝胶结合了水凝胶与导电材料的优越特性,兼具柔性、可拉伸性与良好的导电能力,是制备柔性电子器件的理想材料。近年来,有关离子凝胶的报道层出不穷,但是机械强度弱、拉伸性能差、导电填料与水凝胶基质不相容等问题依旧限制着离子凝胶的发展。因此,本文利用高分子量的聚乙二醇（PEO）与聚丙烯酸（PAA）分子链间的氢键作用和高度链缠结作用,制备了一种机械强度高、拉伸性能强、透明度好的水凝胶,并同时掺杂入少量的双三氟甲基磺酰亚胺锂（Li TFSI）作为电解质盐,赋予了水凝胶良好的导电性能。由该离子凝胶制备而成的柔性传感器具有良好的灵敏度、稳定性和重复性,为可穿戴电子设备、体内植入器件、柔性传感器、致动器等领域的应用提供了一种工艺简单、经济节约的途径。本实验以PEO为大分子物理交联剂,2-羟基-4’-（2-羟乙氧基）-2-甲基苯丙酮（I2959）为光引发剂,并加入Li TFSI作为电解质盐,利用丙烯酸（AA）单体的原位光引发聚合反应,即可一步形成透明、可拉伸的PAA-PEO-Li离子凝胶。研究结果表明,PAA/PEO的单体摩尔比和PEO的分子量对离子凝胶的机械性能有显著的影响。当PEO分子量为100 k...
【文章来源】：华南理工大学广东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
五种常见的合成导电水凝胶的方法[13]
第一章绪论3应用前景。由于水凝胶内含有大量的水和微孔结构，能为离子的迁移提供自由移动的空间，所以离子导电水凝胶的制备通常是把溶解性盐（如：NaCl、LiCl等）分散在水凝胶网络中。例如，复旦大学的武培怡教授课题组把AA和3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐（DMAPS）混合反应，通过一步聚合形成了一种物理交联的水凝胶，再把交联后的水凝胶浸泡在氯化钠溶液中，通过进一步的疏水作用，使水凝胶的溶胀度减小，机械性能提高。同时，由于氯化钠溶液中的离子通过渗透作用进入到水凝胶网络中，水凝胶获得了良好的离子导电性。此外，AA与DMAPS之间的氢键作用赋予了该离子凝胶良好的自修复能力和拉伸性能。当基于这种超分子水凝胶的仿生皮肤贴在塑料假肢手指上时，它能通过离子传输接收电容和电阻的变化信号，从而感知假肢手指弯曲、按压以及温度的变化，模拟了人体皮肤的机械和温度感受器（图1-2）[17]。图1-2（a）DMAPS和AA共聚物的化学结构式。（b）仿生皮肤的设计原理图和两个简化的等效电路示意图。（c）把透明的水凝胶均匀涂抹在假体手掌上，使得水凝胶与假体手指完全贴合（标尺：2厘米）[17]。Figure1-2.(a)MolecularstructureoftheP(DMAPS-co-AA)polymer.(b)Schematicdesignandtwosimplifiedequivalentelectricalcircuitsofthebiomimeticskin.(c)Photosofthetransparenthydrogel;itisreshapedandappliedtothesurfacesofaprosthetichandandshowscompliancewiththeprostheticfinger(scalebar:2cm)[17].
华南理工大学硕士学位论文4青岛大学的隋坤艳课题组受天然水凝胶和人体皮肤组成及传感原理的启发，研发了一种基于海藻多糖超分子纳米纤维水凝胶的离子皮肤传感器（如图1-3所示）[18]。该离子水凝胶拥有双网络（DN）结构，其中作为能量耗散的网络是利用无机盐氯化钠（NaCl）来诱导海藻酸钠（SA）分子进行自组装，形成多重氢键的超分子纳米纤维网络；而作为结构支撑的网络是基于聚丙烯酰胺（PAAm）的化学交联形成的弹性网络。NaCl与SA通过解离提供大量的自由离子，从而构筑了离子凝胶力学网络与导电网络之间的协同效应机制。同时，该离子水凝胶显示出极高的透明度（99.6%）、高拉伸性能（3120%）、高韧性（4.77MJm-3）及良好的抗拉抗压缩能力。基于此离子凝胶而制备出来的离子皮肤传感器展现出超高的灵敏度和宽应变响应范围（0.3%-1800%），与人体皮肤的贴合性好，并可以在较低的电压（0.04V）下工作，能够实时检测出人体从大幅度运动（四肢拉伸弯曲）到微小变形（脉搏跳动、声带振动）的变化。图1-3（a）模拟仿生皮肤的离子水凝胶传感器的组成。（b）由于Na+的静电屏蔽作用，SA分子自组装形成基于多重氢键的超分子纳米纤维。（c）SA超分子纳米纤维DN水凝胶的制备过程[18]。Figure1-3.Designandsynthesisofhigh-performanceSA/NaCl/PAMionicDNhydrogels.(a)Bionicsensorsbasedonionichydrogelssimulatethestructureofskin.(b)MultiplehydrogenbondsareformedwithinSAnanofibrilsinthepresenceofNa+.(c)ProceduresforthefabricationofsupramolecularionicnanofibrilDNhydrogels[18].
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于动态可逆非共价体系的自愈合水凝胶构建方法研究进展[J]. 杨珏莹,陈煜,赵琳,张子涵,杨威,刘媛,彭克林,王雅伦. 材料导报. 2020(05)
[2]柔性可穿戴电子应变传感器的研究现状与应用[J]. 彭军,李津,李伟,常胜男,刘皓. 化工新型材料. 2020(01)
[3]自愈合水凝胶的应用研究进展[J]. 庞相琛. 价值工程. 2020(01)
[4]自修复高分子材料的研究进展及应用[J]. 梁淑淇. 中国高新科技. 2019(21)
[5]自修复高分子材料的研究现状及发展[J]. 孙维凯,杜逸纯. 化工设计通讯. 2019(10)
[6]导电水凝胶的构筑设计及应用[J]. 刘剑桥,舒浩然,王晓玲,韩露,张晟,郭坤. 高分子材料科学与工程. 2019(07)
[7]自修复高分子材料的研究进展[J]. 邵欣,闫瑜,黄传峰,夏其英,梁士明,马登学. 安徽化工. 2019(03)
[8]几种有前景锂盐在锂离子电池中的研究进展[J]. 沈丽明. 电源技术. 2019(02)
[9]大形变条件下的导电弹性体研究进展[J]. 谢安,张亦旸,张明. 中国材料进展. 2018(10)
[10]PEO基聚合物电解质在锂离子电池中的研究进展[J]. 孙宗杰,丁书江. 科学通报. 2018(22)
硕士论文
[1]基于疏水缔合和离子作用的双网络水凝胶[D]. 张宝元.长春工业大学 2018
[2]导电水凝胶的制备及其在生物电化学传感器上的应用[D]. 张彩芸.西北师范大学 2018
本文编号：3625354
【文章来源】：华南理工大学广东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
五种常见的合成导电水凝胶的方法[13]
第一章绪论3应用前景。由于水凝胶内含有大量的水和微孔结构，能为离子的迁移提供自由移动的空间，所以离子导电水凝胶的制备通常是把溶解性盐（如：NaCl、LiCl等）分散在水凝胶网络中。例如，复旦大学的武培怡教授课题组把AA和3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐（DMAPS）混合反应，通过一步聚合形成了一种物理交联的水凝胶，再把交联后的水凝胶浸泡在氯化钠溶液中，通过进一步的疏水作用，使水凝胶的溶胀度减小，机械性能提高。同时，由于氯化钠溶液中的离子通过渗透作用进入到水凝胶网络中，水凝胶获得了良好的离子导电性。此外，AA与DMAPS之间的氢键作用赋予了该离子凝胶良好的自修复能力和拉伸性能。当基于这种超分子水凝胶的仿生皮肤贴在塑料假肢手指上时，它能通过离子传输接收电容和电阻的变化信号，从而感知假肢手指弯曲、按压以及温度的变化，模拟了人体皮肤的机械和温度感受器（图1-2）[17]。图1-2（a）DMAPS和AA共聚物的化学结构式。（b）仿生皮肤的设计原理图和两个简化的等效电路示意图。（c）把透明的水凝胶均匀涂抹在假体手掌上，使得水凝胶与假体手指完全贴合（标尺：2厘米）[17]。Figure1-2.(a)MolecularstructureoftheP(DMAPS-co-AA)polymer.(b)Schematicdesignandtwosimplifiedequivalentelectricalcircuitsofthebiomimeticskin.(c)Photosofthetransparenthydrogel;itisreshapedandappliedtothesurfacesofaprosthetichandandshowscompliancewiththeprostheticfinger(scalebar:2cm)[17].
华南理工大学硕士学位论文4青岛大学的隋坤艳课题组受天然水凝胶和人体皮肤组成及传感原理的启发，研发了一种基于海藻多糖超分子纳米纤维水凝胶的离子皮肤传感器（如图1-3所示）[18]。该离子水凝胶拥有双网络（DN）结构，其中作为能量耗散的网络是利用无机盐氯化钠（NaCl）来诱导海藻酸钠（SA）分子进行自组装，形成多重氢键的超分子纳米纤维网络；而作为结构支撑的网络是基于聚丙烯酰胺（PAAm）的化学交联形成的弹性网络。NaCl与SA通过解离提供大量的自由离子，从而构筑了离子凝胶力学网络与导电网络之间的协同效应机制。同时，该离子水凝胶显示出极高的透明度（99.6%）、高拉伸性能（3120%）、高韧性（4.77MJm-3）及良好的抗拉抗压缩能力。基于此离子凝胶而制备出来的离子皮肤传感器展现出超高的灵敏度和宽应变响应范围（0.3%-1800%），与人体皮肤的贴合性好，并可以在较低的电压（0.04V）下工作，能够实时检测出人体从大幅度运动（四肢拉伸弯曲）到微小变形（脉搏跳动、声带振动）的变化。图1-3（a）模拟仿生皮肤的离子水凝胶传感器的组成。（b）由于Na+的静电屏蔽作用，SA分子自组装形成基于多重氢键的超分子纳米纤维。（c）SA超分子纳米纤维DN水凝胶的制备过程[18]。Figure1-3.Designandsynthesisofhigh-performanceSA/NaCl/PAMionicDNhydrogels.(a)Bionicsensorsbasedonionichydrogelssimulatethestructureofskin.(b)MultiplehydrogenbondsareformedwithinSAnanofibrilsinthepresenceofNa+.(c)ProceduresforthefabricationofsupramolecularionicnanofibrilDNhydrogels[18].
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于动态可逆非共价体系的自愈合水凝胶构建方法研究进展[J]. 杨珏莹,陈煜,赵琳,张子涵,杨威,刘媛,彭克林,王雅伦. 材料导报. 2020(05)
[2]柔性可穿戴电子应变传感器的研究现状与应用[J]. 彭军,李津,李伟,常胜男,刘皓. 化工新型材料. 2020(01)
[3]自愈合水凝胶的应用研究进展[J]. 庞相琛. 价值工程. 2020(01)
[4]自修复高分子材料的研究进展及应用[J]. 梁淑淇. 中国高新科技. 2019(21)
[5]自修复高分子材料的研究现状及发展[J]. 孙维凯,杜逸纯. 化工设计通讯. 2019(10)
[6]导电水凝胶的构筑设计及应用[J]. 刘剑桥,舒浩然,王晓玲,韩露,张晟,郭坤. 高分子材料科学与工程. 2019(07)
[7]自修复高分子材料的研究进展[J]. 邵欣,闫瑜,黄传峰,夏其英,梁士明,马登学. 安徽化工. 2019(03)
[8]几种有前景锂盐在锂离子电池中的研究进展[J]. 沈丽明. 电源技术. 2019(02)
[9]大形变条件下的导电弹性体研究进展[J]. 谢安,张亦旸,张明. 中国材料进展. 2018(10)
[10]PEO基聚合物电解质在锂离子电池中的研究进展[J]. 孙宗杰,丁书江. 科学通报. 2018(22)
硕士论文
[1]基于疏水缔合和离子作用的双网络水凝胶[D]. 张宝元.长春工业大学 2018
[2]导电水凝胶的制备及其在生物电化学传感器上的应用[D]. 张彩芸.西北师范大学 2018
本文编号：3625354
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