高强韧CS-PHEAA双物理网络水凝胶的制备及在柔性传感器中的应用
发布时间：2021-08-25 08:37
导电水凝胶兼具优异的延展性和可调控的理化性质,在柔性可穿戴传感器领域受到了广泛的关注。然而传统水凝胶存在的机械性能差（强度、自恢复和抗疲劳）和耐寒性弱的缺点限制了其应用。此外,目前所报道的基于水凝胶的传感器多为应变传感器,监测类型较为单一,无法满足柔性可穿戴传感器的实际需求。针对这些问题,本文通过简单的浸泡法制备了多功能高强韧壳聚糖-聚N-羟乙基丙烯酰胺离子-氢键双物理网络水凝胶,并对其机械性能、抗冻性和传感性能进行了研究,主要内容如下:1、高强韧壳聚糖-聚N-羟乙基丙烯酰胺（CS-PHEAA）双物理网络水凝胶的构建及力学性能研究。首先基于氢键作用制备具有优异延展性的CS-PHEAA复合水凝胶,然后将其浸泡在硫酸钠（Na2SO4）溶液中形成CS离子交联网络进而制备得到壳聚糖-聚N-羟乙基丙烯酰胺离子-氢键双物理网络水凝胶（DN-Sul水凝胶）。CS离子交联网络和PHEAA氢键网络在水凝胶变形的过程中解离,发挥分散应力并消耗能量的作用,能够为水凝胶提供有效的能量耗散机制。两个网络的协同作用赋予DN-Sul水凝胶优异的机械性能:高拉伸强度（σ
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（A）黏土/聚异丙基丙烯酰胺（clay/PNIPAAm）纳米复合水凝胶的网络结构示意图；（B）纳米复合水凝胶拉伸状态下的模型示意图[24]
1绪论4图1.2聚乙二醇/羟基磷灰石纳米粒子（PEG/nHAP）复合水凝胶的超压缩和高延展性[25]Figure1.2SupercompressionandhighductilityofPEG/nHAPnanocompositehydrogel[25]虽然纳米复合水凝胶具有优异的机械性能，但是纳米复合水凝胶在制备过程中存在纳米颗粒分散性的问题，纳米颗粒分散的不均匀将会对水凝胶的机械性能造成一定的影响，所以要求所用聚合物与纳米颗粒之间具有良好的配合作用，所以纳米复合水凝胶的种类及应用范围受到一定的限制。1.2.2聚电解质水凝胶2015年，龚剑萍教授课题组研究并报道了一种通过聚两性电解质正负电荷之间的离子键作用构建的3-（甲基丙烯酰胺氨基）丙基三甲基氯化铵/聚对苯乙烯磺酸钠（PMPTC/PNaSS）新型高强水凝胶[28]。如图1.3所示，由于电解质分子链上阳离子和阴离子的随机分布，在经过透析后形成了具有不同强度分布的聚离子络合物（PIC），其中强的离子键充当永久性交联点，为水凝胶提供延展性和弹性；弱的离子键充当牺牲键，在水凝胶变形过程中分散应力并耗散能量，为水凝胶提供机械强度。该两性聚合物水凝胶表现出突出的断裂应力（3.7MPa）、较高的弹性模量（5.4MPa）和韧性（14.8MJ/m3）。设置压缩应变为95%，该水凝胶可以承受17.5MPa的压缩应力且保持结构完整性。此外，在盐溶液或高温水性的条件下，离子键表现出可重建能力，赋予水凝胶良好的自恢复性能。该工作为设计高强韧水凝胶提供了一种新的思路。
1绪论5图1.3聚离子络合物（PIC）水凝胶的制备原理及单体的化学结构[28]Figure1.3Schematicsofpreparationofpolyion-complex(PIC)hydrogelandthechemicalstructuresofmonomers[28]然而，这种聚两性电解质水凝胶同时也存在着一些缺陷，即水凝胶的制备需要借助于盐溶液，后期还需通过透析将盐溶液除去，这可能会造成水凝胶在生理条件下的不稳定性。此外，该水凝胶透光度较低，光引发聚合所需时间较长，这在一定程度上限制了它的应用。1.2.3疏水缔合水凝胶疏水缔合水凝胶主要是由亲水性单体与少量疏水单体或基团共聚得到。最常用的亲水性单体有丙烯酰胺（AAm）、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMA）和丙烯酸（AAc）等。随着对疏水改性聚丙烯酰胺（HMPAM）的广泛研究，含HMPAM的疏水改性水凝胶也受到了越来越多的关注。疏水改性水凝胶中疏水基团间通过疏水缔合作用形成大量的疏水缔合域，这些疏水缔合域可以作为水凝胶网络中的物理交联点，从而构建得到具有三维网络结构的疏水改性水凝胶（图1.4）。Liu等利用丙烯酰胺（AM）与少量的辛基酚聚氧乙烯丙烯酸酯（OP-4-AC）胶束（在十二烷基硫酸钠（SDS）水溶液中）共聚成功制备了疏水缔合水凝胶（HA-gels）[26]。HA水凝胶具有优异的机械强度和透明性，同时，由于疏水缔合交联点的可重建能力，HA水凝胶具有一定的自愈合性能。此外，他们还研究了初始溶液中OP-4-AC、SDS和AM的含量对水凝胶力学性能的影响，结果表明，HA水凝胶的拉伸强度、断裂能、弹性模量及断裂伸长率与水凝胶组分的含
本文编号：3361786
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（A）黏土/聚异丙基丙烯酰胺（clay/PNIPAAm）纳米复合水凝胶的网络结构示意图；（B）纳米复合水凝胶拉伸状态下的模型示意图[24]
1绪论4图1.2聚乙二醇/羟基磷灰石纳米粒子（PEG/nHAP）复合水凝胶的超压缩和高延展性[25]Figure1.2SupercompressionandhighductilityofPEG/nHAPnanocompositehydrogel[25]虽然纳米复合水凝胶具有优异的机械性能，但是纳米复合水凝胶在制备过程中存在纳米颗粒分散性的问题，纳米颗粒分散的不均匀将会对水凝胶的机械性能造成一定的影响，所以要求所用聚合物与纳米颗粒之间具有良好的配合作用，所以纳米复合水凝胶的种类及应用范围受到一定的限制。1.2.2聚电解质水凝胶2015年，龚剑萍教授课题组研究并报道了一种通过聚两性电解质正负电荷之间的离子键作用构建的3-（甲基丙烯酰胺氨基）丙基三甲基氯化铵/聚对苯乙烯磺酸钠（PMPTC/PNaSS）新型高强水凝胶[28]。如图1.3所示，由于电解质分子链上阳离子和阴离子的随机分布，在经过透析后形成了具有不同强度分布的聚离子络合物（PIC），其中强的离子键充当永久性交联点，为水凝胶提供延展性和弹性；弱的离子键充当牺牲键，在水凝胶变形过程中分散应力并耗散能量，为水凝胶提供机械强度。该两性聚合物水凝胶表现出突出的断裂应力（3.7MPa）、较高的弹性模量（5.4MPa）和韧性（14.8MJ/m3）。设置压缩应变为95%，该水凝胶可以承受17.5MPa的压缩应力且保持结构完整性。此外，在盐溶液或高温水性的条件下，离子键表现出可重建能力，赋予水凝胶良好的自恢复性能。该工作为设计高强韧水凝胶提供了一种新的思路。
1绪论5图1.3聚离子络合物（PIC）水凝胶的制备原理及单体的化学结构[28]Figure1.3Schematicsofpreparationofpolyion-complex(PIC)hydrogelandthechemicalstructuresofmonomers[28]然而，这种聚两性电解质水凝胶同时也存在着一些缺陷，即水凝胶的制备需要借助于盐溶液，后期还需通过透析将盐溶液除去，这可能会造成水凝胶在生理条件下的不稳定性。此外，该水凝胶透光度较低，光引发聚合所需时间较长，这在一定程度上限制了它的应用。1.2.3疏水缔合水凝胶疏水缔合水凝胶主要是由亲水性单体与少量疏水单体或基团共聚得到。最常用的亲水性单体有丙烯酰胺（AAm）、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMA）和丙烯酸（AAc）等。随着对疏水改性聚丙烯酰胺（HMPAM）的广泛研究，含HMPAM的疏水改性水凝胶也受到了越来越多的关注。疏水改性水凝胶中疏水基团间通过疏水缔合作用形成大量的疏水缔合域，这些疏水缔合域可以作为水凝胶网络中的物理交联点，从而构建得到具有三维网络结构的疏水改性水凝胶（图1.4）。Liu等利用丙烯酰胺（AM）与少量的辛基酚聚氧乙烯丙烯酸酯（OP-4-AC）胶束（在十二烷基硫酸钠（SDS）水溶液中）共聚成功制备了疏水缔合水凝胶（HA-gels）[26]。HA水凝胶具有优异的机械强度和透明性，同时，由于疏水缔合交联点的可重建能力，HA水凝胶具有一定的自愈合性能。此外，他们还研究了初始溶液中OP-4-AC、SDS和AM的含量对水凝胶力学性能的影响，结果表明，HA水凝胶的拉伸强度、断裂能、弹性模量及断裂伸长率与水凝胶组分的含
本文编号：3361786
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3361786.html
最近更新
教材专著
