自愈合水凝胶的制备及其在柔性应变传感方向的应用
发布时间：2021-02-18 01:11
柔性电子器件因其可以广泛的应用于健康监测设备,柔性储能设备,柔性电路板与柔性显示等方向而吸引了科学工作者的注意力。迄今为止,柔性电子器件主要分为两类:弹性体柔性电子器件与水凝胶柔性电子器件。这两类不同基体的电子器件具有明显的优势与劣势。基于弹性体的电子器件具有高模量、高弹性和良好的抗机械疲劳特性,但是弹性体无法承受较大形变,这一点就大大限制了其进一步的发展。水凝胶材料经过多年的研究与探索,科研工作者可使水凝胶材料同时具有高机械性能与粘附性能。这两点为水凝胶应用于电子器件提供了良好的基础。良好的机械性能保证水凝胶材料在外力下保持完整,而粘附性能可以使其紧密贴附于皮肤之上。而除此之外,还可以赋予水凝胶自愈合性能,以延长电子器件使用寿命,减少其维修费用。而水凝胶在应用中无法应对极端寒冷环境的问题也通过引入多元溶剂或高浓度无机盐来有效的解决。正是因为具有以上性能可以使这种水凝胶电子器件有着更加广泛的应用范围。所以,我们对以上性能进行整合,制备具有粘韧行为的自愈合导电水凝胶以应用于柔性电子器件领域。在第一部分工作中,在水凝胶网络内同时引入疏水缔合作用,金属络合作用和氢键同时作为物理交联点,所得水...
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1-4双网络水凝胶承受压力的示意图。(a)PAMPS1-4 SN单网络水凝胶(可承受0.4 MPa应力);(b)PAMPS-1-4/PAAm-2-0.1水凝胶(可承受17.2 MPa应力)。
滑动环水凝胶(Slide-Ring Gel),也称为拓扑凝胶(Topological Gel),于2001年,由Okumura和Ito制备。(图1-5)[5]。滑动环水凝胶可以解决水凝胶内部结构不规整的缺陷,所以滑动环水凝胶比其他类型水凝胶的规整性要高。相应地,在宏观上滑动环水凝胶具有极高的延展性(可拉伸至原长的24倍)、良好的恢复性、溶胀性和低粘度。同其他类型水凝胶的交联点在网络内随机分布一样,滑动环水凝胶交联点的分布也是随机的,但与其他水凝胶的不同点是,它的交联点是能够随着链段滑动的。当施加应力时,水凝胶内部的交联点就像“滑轮”样可以任意滑动。一条长的分子链被分割成为几个链段,从而将应力平均地分散到每个链段上。与此同时,由于水凝胶的网络是三维的,“滑轮”还可以把应力平均低分散到整个水凝胶网络中。因此,相比于普通的水凝胶,滑动环水凝胶便可以承担更大的应力,耗散更多的能量。纳米复合水凝胶(nanocomposite hydrogel,NC hydrogel),于2002年由Haraguch首次报道。该团队制备的水凝胶由单体N-异丙基丙烯酰胺在锂藻土纳米片层的悬浮液中原位聚合所得,其机理图示于图1-6。所得NC水凝胶的断裂应力为传统水凝胶的10倍,断裂伸长率也是当时普通水凝胶的50倍。接下来,科研工作者们将目光集中于各类的纳米粒子填料,包括氧化石墨烯、碳纳米管、纳米纤维素、无机纳米粒子(纳米二氧化钛、Fe3O4、锂蒙脱土以及纳米羟基磷灰石等)。通过该方法所制备的NC水凝胶相对于传统水凝胶在力学强度、断裂伸长率、弹性模量等力学性能都有显著的提高。这种纳米复合水凝胶的增韧机理类似于橡胶利用炭黑微粒来形成物理交联,对橡胶的分子链进行吸附,从而对橡胶起到补强作用,可以有效地提高橡胶的力学强度。同理,这种纳米填充也使用与水凝胶增韧。这种经纳米粒子增韧的水凝胶可以应用于卫生用品、软骨组织的修复与再生等。
纳米复合水凝胶(nanocomposite hydrogel,NC hydrogel),于2002年由Haraguch首次报道。该团队制备的水凝胶由单体N-异丙基丙烯酰胺在锂藻土纳米片层的悬浮液中原位聚合所得,其机理图示于图1-6。所得NC水凝胶的断裂应力为传统水凝胶的10倍,断裂伸长率也是当时普通水凝胶的50倍。接下来,科研工作者们将目光集中于各类的纳米粒子填料,包括氧化石墨烯、碳纳米管、纳米纤维素、无机纳米粒子(纳米二氧化钛、Fe3O4、锂蒙脱土以及纳米羟基磷灰石等)。通过该方法所制备的NC水凝胶相对于传统水凝胶在力学强度、断裂伸长率、弹性模量等力学性能都有显著的提高。这种纳米复合水凝胶的增韧机理类似于橡胶利用炭黑微粒来形成物理交联,对橡胶的分子链进行吸附,从而对橡胶起到补强作用,可以有效地提高橡胶的力学强度。同理,这种纳米填充也使用与水凝胶增韧。这种经纳米粒子增韧的水凝胶可以应用于卫生用品、软骨组织的修复与再生等。疏水缔合水凝胶,即:在水凝胶内引入疏水基团,形成疏水缔合胶束,疏水链段缠结于其中,同时与亲水性单体共聚。疏水缔合胶束在水凝胶体系内充当物理交联点有效地分散应力。同时在胶束内的呈缠结状态疏水链段能有通过解缠或分子链滑移来耗散能量,因此可以大幅度地提高水凝胶的力学性能。Okay等将丙烯酰胺(AAm)与疏水单体甲基丙烯酸月桂酯进行共聚,所得水凝胶的力学强以疏水缔合胶束作为动态交联点(图1-7)[13]。在拉伸过程中,分子链的解缠与滑移则会耗散掉更多的能量,因此水凝胶的断裂应力可以达到80 kPa。由于聚(N,N′-二甲基丙烯酰胺)(PDMA)形成的氢键可以和疏水缔合作用在水溶液中共存,Okay利用N,N’-二甲基双丙烯酰胺与甲基丙烯酸十八酯共聚制备得到具有高拉伸性能的水凝胶[14]。所得的PDMA疏水缔合水凝胶的最大断裂伸长率为4300%。但对照实验组纯PAAm疏水缔合水凝胶的断裂伸长率仅为2000%。所以该PDMA疏水缔合水凝胶力学性能的提升可以归因于水凝胶网络内部PDMA分子链形成的氢键和疏水缔合相互作用可将应力耗散掉。
本文编号：3038820
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1-4双网络水凝胶承受压力的示意图。(a)PAMPS1-4 SN单网络水凝胶(可承受0.4 MPa应力);(b)PAMPS-1-4/PAAm-2-0.1水凝胶(可承受17.2 MPa应力)。
滑动环水凝胶(Slide-Ring Gel),也称为拓扑凝胶(Topological Gel),于2001年,由Okumura和Ito制备。(图1-5)[5]。滑动环水凝胶可以解决水凝胶内部结构不规整的缺陷,所以滑动环水凝胶比其他类型水凝胶的规整性要高。相应地,在宏观上滑动环水凝胶具有极高的延展性(可拉伸至原长的24倍)、良好的恢复性、溶胀性和低粘度。同其他类型水凝胶的交联点在网络内随机分布一样,滑动环水凝胶交联点的分布也是随机的,但与其他水凝胶的不同点是,它的交联点是能够随着链段滑动的。当施加应力时,水凝胶内部的交联点就像“滑轮”样可以任意滑动。一条长的分子链被分割成为几个链段,从而将应力平均地分散到每个链段上。与此同时,由于水凝胶的网络是三维的,“滑轮”还可以把应力平均低分散到整个水凝胶网络中。因此,相比于普通的水凝胶,滑动环水凝胶便可以承担更大的应力,耗散更多的能量。纳米复合水凝胶(nanocomposite hydrogel,NC hydrogel),于2002年由Haraguch首次报道。该团队制备的水凝胶由单体N-异丙基丙烯酰胺在锂藻土纳米片层的悬浮液中原位聚合所得,其机理图示于图1-6。所得NC水凝胶的断裂应力为传统水凝胶的10倍,断裂伸长率也是当时普通水凝胶的50倍。接下来,科研工作者们将目光集中于各类的纳米粒子填料,包括氧化石墨烯、碳纳米管、纳米纤维素、无机纳米粒子(纳米二氧化钛、Fe3O4、锂蒙脱土以及纳米羟基磷灰石等)。通过该方法所制备的NC水凝胶相对于传统水凝胶在力学强度、断裂伸长率、弹性模量等力学性能都有显著的提高。这种纳米复合水凝胶的增韧机理类似于橡胶利用炭黑微粒来形成物理交联,对橡胶的分子链进行吸附,从而对橡胶起到补强作用,可以有效地提高橡胶的力学强度。同理,这种纳米填充也使用与水凝胶增韧。这种经纳米粒子增韧的水凝胶可以应用于卫生用品、软骨组织的修复与再生等。
纳米复合水凝胶(nanocomposite hydrogel,NC hydrogel),于2002年由Haraguch首次报道。该团队制备的水凝胶由单体N-异丙基丙烯酰胺在锂藻土纳米片层的悬浮液中原位聚合所得,其机理图示于图1-6。所得NC水凝胶的断裂应力为传统水凝胶的10倍,断裂伸长率也是当时普通水凝胶的50倍。接下来,科研工作者们将目光集中于各类的纳米粒子填料,包括氧化石墨烯、碳纳米管、纳米纤维素、无机纳米粒子(纳米二氧化钛、Fe3O4、锂蒙脱土以及纳米羟基磷灰石等)。通过该方法所制备的NC水凝胶相对于传统水凝胶在力学强度、断裂伸长率、弹性模量等力学性能都有显著的提高。这种纳米复合水凝胶的增韧机理类似于橡胶利用炭黑微粒来形成物理交联,对橡胶的分子链进行吸附,从而对橡胶起到补强作用,可以有效地提高橡胶的力学强度。同理,这种纳米填充也使用与水凝胶增韧。这种经纳米粒子增韧的水凝胶可以应用于卫生用品、软骨组织的修复与再生等。疏水缔合水凝胶,即:在水凝胶内引入疏水基团,形成疏水缔合胶束,疏水链段缠结于其中,同时与亲水性单体共聚。疏水缔合胶束在水凝胶体系内充当物理交联点有效地分散应力。同时在胶束内的呈缠结状态疏水链段能有通过解缠或分子链滑移来耗散能量,因此可以大幅度地提高水凝胶的力学性能。Okay等将丙烯酰胺(AAm)与疏水单体甲基丙烯酸月桂酯进行共聚,所得水凝胶的力学强以疏水缔合胶束作为动态交联点(图1-7)[13]。在拉伸过程中,分子链的解缠与滑移则会耗散掉更多的能量,因此水凝胶的断裂应力可以达到80 kPa。由于聚(N,N′-二甲基丙烯酰胺)(PDMA)形成的氢键可以和疏水缔合作用在水溶液中共存,Okay利用N,N’-二甲基双丙烯酰胺与甲基丙烯酸十八酯共聚制备得到具有高拉伸性能的水凝胶[14]。所得的PDMA疏水缔合水凝胶的最大断裂伸长率为4300%。但对照实验组纯PAAm疏水缔合水凝胶的断裂伸长率仅为2000%。所以该PDMA疏水缔合水凝胶力学性能的提升可以归因于水凝胶网络内部PDMA分子链形成的氢键和疏水缔合相互作用可将应力耗散掉。
本文编号：3038820
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