基于导电水凝胶的可穿戴传感器的制备与应用
发布时间：2021-10-07 19:14
水凝胶的亲水结构使其能够在三维网络中容纳大量的水,这赋予了它们良好的生物相容性和广泛可调的物理化学性能。随着科学技术的发展,基于导电水凝胶的柔性可穿戴传感器在人机界面交互、超灵敏电子皮肤及个人健康诊疗中具有广泛而重要的应用,这引起了极大的研究关注。本文依据当前的研究进展,介绍了两种具有优异性能的水凝胶可穿戴传感器,分别为可抗冻抗热的、长期稳定的、可自修复的、超灵敏的有机水凝胶传感器和可自修复的、可控释药的、超灵敏的水凝胶传感器。具体工作如下:1.使用聚乙烯醇（PVA）、苯硼酸接枝的海藻酸钠（Alg-PBA）和聚丙烯酰胺（PAM）组成有机水凝胶的聚合物网络,并将乙二醇-水的二元溶剂加入体系中,添加石墨烯作为纳米导电填料,成功制备了同时具有抗冻抗热性、长期稳定性、高灵敏传感性和可自修复性的有机水凝胶传感器。探究了石墨烯的浓度、丙烯酰胺加入量以及乙二醇加入量对传感性能与力学性能的影响。之后将传感器负载到人体上,在寒冷和炎热环境中进行了手指弯曲、脉搏、按压莫尔斯码等一系列人体动作的测量。最终的结果表明,该传感器即使在极端环境（-40℃或60℃）下也具有高的灵敏度（0.1122 kPa-1）、宽...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１？水凝胶的制备方法［３３］；?（ａ）物理纠缠；（ｂ）自组装；（ｃ）螯合作用；（ｄ）静电作用；（ｅ）化学交??联??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１．?Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｌ，?（ａ）?Ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ，?（ｂ）?Ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙ，?（ｃ）?Ｃｈｅｌａｔｉｏｎ，?（ｄ）?Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ??ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，?（ｅ）?Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｉｎｇ．??
米材料杂化＾，５２１、通过微晶交联［５３］或通过混合多个组分［５４］??而形成水凝胶，可以显著提高力学性能。之所以能达到增軔的目的，是因为组成水凝??胶的成分之间的超分子作用。碳纳米管、纳米粘土、石墨烯、ＭＸｅｎｅ等材料表面残余??的官能团与水凝胶的聚合物链之间可以形成相互作用，具有很强力学性能的纳米材料??与柔性的长分子链构成了?“硬－软”的三维网络结构，并最终达到提高水凝胶整体力学??性能的目的［５２］。使用纳米材料作为交联剂将减少纯聚合物网络中存在的致密交联所施??加的限制。如图１－２?（ａ）所示，通过使用无机粘土纳米片作为锚定物在交联时接枝聚合??物链，所得到的聚Ｎ－异丙基丙烯酰胺（ＰＮＩＰＡＭ）水凝胶网络可拉伸至其原始长度的??１４００?％［５２］。这些粘土聚Ｎ－异丙基丙烯酰胺网络的稳定接枝点归因于粘土纳米片的可??功能化表面。填充材料可提供附加功能，例如增强导电性或促进组织再生。??（ｂ）Ｋｉｉｎ?翻??＇?＊?ｉ?Ｊ?Ｍ?Ｍ?＜３Ｑ?ＳＱＱＱ?Ｕ?Ｍ??（ｃ）??Ｊ?Ｃｘ?ＮＩＰＡ．?ＡＡｃＮａ．?ＡＰＳ，?ＴＥＭＥＤ．?ｗａｔｅｒ?＞?＾?ｒ?＇?＾?＾?＾?＾??Ｑ?兹絲?ＮＩＲ＾－ＡＡｃＮａ－ＨＰＲ－Ｃ?ｈｙｄｒｏｇｅｌ??ｃｔ－ＣＤ??图１－２．水凝胶的增軔方式；（ａ）由均匀分散（剥落）的无机粘土和两种主要类型的柔性聚合物链组成??的水凝胶的示意图［５２］；?（ｂ）在海藻酸钠－聚丙烯酰胺水凝胶中，两种聚合物网络相互交织，并通过??胺之间的共价交联连接［５５］；?（ｃ）基于ａ－环糊精的水凝胶增靭［５４］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２．?Ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ，?（ａ）?Ｓ
?北京化工大学硕士学位论文???原始粘度［５８］。这样的可自修复水凝胶在止血敷料、血管内栓塞、组织工程以及药物和??基因传递方面具有很高的实用价值。??此外，还有利用含有相反电荷的聚合物链之间具有的静电相互作用而制备的可自??修复水凝胶［５９］（图１－３?（ｂ））。通过对电荷单体的无规共聚合成聚电解质，可以自发形成??静电键广泛强度分布的水凝胶。在这种情况下，强静电键作为半永久性的交联点保持??着水凝胶的形状，而在水凝胶受到外力时弱静电键通过可逆的键断裂和重构耗散能??量，从而提高靭性并赋予其自修复性。??（ａ）?？?（ｂ）??擊ｖｗ參？＾??．一??／ｎ＼?／?Ｊ｜＼?＾?Ｃａｔｉｏｎｉｃｇｉｎｕ！＞?？?Ａｎｊｏｎｉｃｇｔｏｕｐ??Ｈｅａｉｔｘｊｏｆｆｔｙｄｒｏ＾ｍｉｏｗｐＨ?ＨｇｈｐＨ?〇ｕｉ?ｆｃ?ｒｔ．ｓｕｈ??晒?＿?＿?ｔ?？，豐戀－．氤??Ｐ．．．ｆｆ－ｌＭ??图１－３．水凝胶的自修复机理；（ａ）基于纳米粘土片的自愈合水凝胶［５８］；?（ｂ）具有不同强度离子键??的水凝胶示意图，强键作为永久交联点，弱键作为可逆的牺牲键，在变形时断裂［５９］；?（ｃ）基于氢??键的自愈合水凝胶，在低ｐＨ下交错氢键结构可以自愈合，在高ｐＨ下，羧基去质子化，导致相邻??侧链之间强烈的静电排斥从而阻止愈合［６Ｇ］；?（ｄ）基于主客体结构的自愈合水凝胶［６１］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３．?Ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ，?（ａ）?Ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ?ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ｎａｎｏｃｌａｙ?ｓｈｅｅｔ，?（ｂ）??Ａｎ?ｉｌｌｕｓｔ
本文编号：3422616
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１？水凝胶的制备方法［３３］；?（ａ）物理纠缠；（ｂ）自组装；（ｃ）螯合作用；（ｄ）静电作用；（ｅ）化学交??联??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１．?Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｌ，?（ａ）?Ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ，?（ｂ）?Ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙ，?（ｃ）?Ｃｈｅｌａｔｉｏｎ，?（ｄ）?Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ??ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，?（ｅ）?Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｉｎｇ．??
米材料杂化＾，５２１、通过微晶交联［５３］或通过混合多个组分［５４］??而形成水凝胶，可以显著提高力学性能。之所以能达到增軔的目的，是因为组成水凝??胶的成分之间的超分子作用。碳纳米管、纳米粘土、石墨烯、ＭＸｅｎｅ等材料表面残余??的官能团与水凝胶的聚合物链之间可以形成相互作用，具有很强力学性能的纳米材料??与柔性的长分子链构成了?“硬－软”的三维网络结构，并最终达到提高水凝胶整体力学??性能的目的［５２］。使用纳米材料作为交联剂将减少纯聚合物网络中存在的致密交联所施??加的限制。如图１－２?（ａ）所示，通过使用无机粘土纳米片作为锚定物在交联时接枝聚合??物链，所得到的聚Ｎ－异丙基丙烯酰胺（ＰＮＩＰＡＭ）水凝胶网络可拉伸至其原始长度的??１４００?％［５２］。这些粘土聚Ｎ－异丙基丙烯酰胺网络的稳定接枝点归因于粘土纳米片的可??功能化表面。填充材料可提供附加功能，例如增强导电性或促进组织再生。??（ｂ）Ｋｉｉｎ?翻??＇?＊?ｉ?Ｊ?Ｍ?Ｍ?＜３Ｑ?ＳＱＱＱ?Ｕ?Ｍ??（ｃ）??Ｊ?Ｃｘ?ＮＩＰＡ．?ＡＡｃＮａ．?ＡＰＳ，?ＴＥＭＥＤ．?ｗａｔｅｒ?＞?＾?ｒ?＇?＾?＾?＾?＾??Ｑ?兹絲?ＮＩＲ＾－ＡＡｃＮａ－ＨＰＲ－Ｃ?ｈｙｄｒｏｇｅｌ??ｃｔ－ＣＤ??图１－２．水凝胶的增軔方式；（ａ）由均匀分散（剥落）的无机粘土和两种主要类型的柔性聚合物链组成??的水凝胶的示意图［５２］；?（ｂ）在海藻酸钠－聚丙烯酰胺水凝胶中，两种聚合物网络相互交织，并通过??胺之间的共价交联连接［５５］；?（ｃ）基于ａ－环糊精的水凝胶增靭［５４］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２．?Ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ，?（ａ）?Ｓ
?北京化工大学硕士学位论文???原始粘度［５８］。这样的可自修复水凝胶在止血敷料、血管内栓塞、组织工程以及药物和??基因传递方面具有很高的实用价值。??此外，还有利用含有相反电荷的聚合物链之间具有的静电相互作用而制备的可自??修复水凝胶［５９］（图１－３?（ｂ））。通过对电荷单体的无规共聚合成聚电解质，可以自发形成??静电键广泛强度分布的水凝胶。在这种情况下，强静电键作为半永久性的交联点保持??着水凝胶的形状，而在水凝胶受到外力时弱静电键通过可逆的键断裂和重构耗散能??量，从而提高靭性并赋予其自修复性。??（ａ）?？?（ｂ）??擊ｖｗ參？＾??．一??／ｎ＼?／?Ｊ｜＼?＾?Ｃａｔｉｏｎｉｃｇｉｎｕ！＞?？?Ａｎｊｏｎｉｃｇｔｏｕｐ??Ｈｅａｉｔｘｊｏｆｆｔｙｄｒｏ＾ｍｉｏｗｐＨ?ＨｇｈｐＨ?〇ｕｉ?ｆｃ?ｒｔ．ｓｕｈ??晒?＿?＿?ｔ?？，豐戀－．氤??Ｐ．．．ｆｆ－ｌＭ??图１－３．水凝胶的自修复机理；（ａ）基于纳米粘土片的自愈合水凝胶［５８］；?（ｂ）具有不同强度离子键??的水凝胶示意图，强键作为永久交联点，弱键作为可逆的牺牲键，在变形时断裂［５９］；?（ｃ）基于氢??键的自愈合水凝胶，在低ｐＨ下交错氢键结构可以自愈合，在高ｐＨ下，羧基去质子化，导致相邻??侧链之间强烈的静电排斥从而阻止愈合［６Ｇ］；?（ｄ）基于主客体结构的自愈合水凝胶［６１］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３．?Ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ，?（ａ）?Ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ?ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ｎａｎｏｃｌａｙ?ｓｈｅｅｔ，?（ｂ）??Ａｎ?ｉｌｌｕｓｔ
本文编号：3422616
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