超拉伸离子水凝胶的制备及在柔性传感器中的应用

发布时间：2020-09-03 09:53

【摘要】：近年来,随着智能终端的发展和普及,可穿戴柔性电子设备显示出巨大的市场应用前景。柔性传感器作为柔性电子设备的核心部件,在电子皮肤、人体运动监测、医保健康和人机交互系统等领域具有广阔的应用前景,水凝胶作为典型的柔性传感材料已成为研究热点。然而,目前的水凝胶材料仍不能有效满足生物医学等领域中复杂的实际需求,主要面临以下挑战:i)传统水凝胶材料的机械强度低,与天然组织仍有很大差距;ii)随着人们对循环稳定性、器件寿命等性能要求的提高,自修复水凝胶材料的需求与日俱增;iii)延展性、弹性和灵敏度差等。因此,本文主要围绕如何提高双网络水凝胶的机械性能,拓宽其在柔性传感器中的应用,开展了一系列的研究工作,主要的研究结果如下:1.通过添加一价无机盐(NaCl)诱导半刚性的海藻酸钠(SA)分子自组装,形成基于多重氢键的超分子纳米纤维网络作为能量耗散网络,聚丙烯酰胺(PAM)化学交联网络作为弹性支撑网络,构建成双网络水凝胶;同时,NaCl和SA还可以提供大量的导电离子,使水凝胶具有良好的导电性,从而实现机械网络和导电网络之间的协同作用,提高水凝胶综合性能。基于此,该水凝胶从组成上和结构(SA纳米纤维、PAM弹性网络、NaCl)都仿生人体皮肤(胶原纤维、弹性纤维、无机盐)。制备的水凝胶具有高透明度(99.6%)、高拉伸强度(0.75 MPa)、抗压缩(汽车碾压后立刻回弹)、高延展性(3120%)、高韧性(4.77 MJ/m~3)、高应变下依然具有高的弹性等优异性能。将其进一步应用于离子传感,该水凝胶传感器表现出高灵敏度、宽应变响应范围(0.3%-1800%)、优异的贴合性和稳定性,可以在0.04 V的低电压下工作,完成对人体从大形变运动(四肢)到微小形变(发音、脉搏)等信号的即时和稳定检测。2.通过加入不良溶剂乙醇(EtOH)诱导SA在氢键作用下自组装形成SA纳米纤维,作为第一层物理网络,PAM化学交联网络作为第二层网络,制备了双网络水凝胶。制备的双网络水凝胶具有优异的机械性能,断裂拉伸强度为0.92 MPa、断裂拉伸应变为3230%、韧性达到9.39 MJ/m~3,且具有良好的弹性,该水凝胶还具有良好的自愈性和粘附性。将制备得到的双网络水凝胶应用于应变传感器,展现出高的灵敏度(GF=8.6)、优异的稳定性,且可以实时监测人体不同部位的运动。
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TQ427.26

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本文编号：2811278