摘要
导电自修复水凝胶近年来在人造皮肤及组织、可穿戴电子设备、个体医疗监控等领域取得了突飞猛进的应用。导电填料与水凝胶聚合物基体相容性差、常温快速自修复效率低、机械性能不足是制约导电自修复水凝胶应用的重要问题。如何在保证水凝胶优良导电性及常温快速自修复性能的前提下进一步改善水凝胶的机械性能成为一个迫切问题。 本论文主要针对传统水凝胶无法兼顾优异的导电性、常温快速自修复性、高机械性能的现状，对丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）自由基固化体系水凝胶进行改性处理。首先，通过对部分还原氧化石墨烯（rGO）进行端基改性处理：将rGO表面的羧基和甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）的环氧基团进行反应，利用共价键合的方式将可自由基聚合的双键基团引入rGO表面（rGO-GMA）；将rGO表面的羧基及羟基极性基团高温条件下和丙烯酰胺（AM）的胺基进行反应，利用氢键的方式将可自由基聚合的双键基团引入rGO表面（rGO-AM）。使其通过自由基聚合将石墨烯二维结构嵌入水凝胶空间网络中，合成导电性能优异且兼具一定力学强度的水凝胶。对制备的rGO改性丙烯酸酯导电自修复水凝胶进行电导率、拉伸应力-应变、流变、多次断裂-自修复后电导率及机械性能测试，水凝胶导电率可以达到20.5S/m，拉伸强度可以达到97KPa，断裂伸长率可以达到1500%，经过五次断裂-自修复过程之后水凝胶的机械性能及导电性可以恢复99%以上。 在上述研究的基础上，在水凝胶的合成过程中引入离子基团，采用两种离子单体AHSS和SR协同作用，将磺酸钠和硫酸铵离子基团引入水凝胶聚合物分子链中；同时通过双交联单体HEBa在水凝胶线型分子链中加入第二交联点，使水凝胶分子链之间形成双共价交联，与改性rGO协同作用，从而改善水凝胶的机械性能。离子相互作用以及极性双交联单体的引入还可以有效改善水凝胶的自修复效率。通过电导率表征其导电性，拉伸应力-应变测试及流变学测试表征其机械性能，rGO-GMA含量5%，离子单体含量50%，双交联单体HEBa达到20%的时候，水凝胶断裂伸长率达到1805%，双交联单体HEBa提高到50%的时候，水凝胶拉伸强度达到1660KPa。水凝胶的循环拉伸应力-应变测试实验表明其机械性能可以完全自修复。水凝胶在遭受断裂破坏后常温40s可实现表观形貌、导电性、机械性能的完全恢复。证实了离子相互作用以及大量氢键作为可逆的连接键起到高效耗能的作用，维持一个有效的内部网络结构。 为了进一步提高水凝胶的机械性能，对纳米纤维素CNCs进行表面改性，通过聚乙烯亚胺（PEI）的引入提高CNCs的极性基团含量，对改性CNCs进行了结构、形貌、粒径的分析表征。利用改性处理的PEI-CNCs对水凝胶进行改性处理，制备的纳米纤维素增强导电自修复水凝胶的机械性能大大改善，当PEI-CNCs含量从0%增加到5%的时候，水凝胶的拉伸强度从1.07MPa提高到2.48MPa，提高了131.8%。经过5次拉伸断裂-自修复过程后，其拉伸强度及电导率均能恢复99%以上。PEI-CNCs改性水凝胶在流变性能修复实验中皆表现出快速且可重复的自修复行为。制备的导电自修复水凝胶的储能模量与损耗模量的自修复率均在99%以上。水凝胶的循环拉伸应力-应变测试实验表明其机械性能可以完全自修复。 PEI-CNCs改性水凝胶的电导率可以达到28.8S/m，利用此导电自修复水凝胶做为传感器对人体关节运动（手指、手腕等）、脉搏进行监测，水凝胶传感器能够快速识别人体不同部位的运动信号，具有较高的灵敏度，在手势翻译、可穿戴电子设备等领域中具有极佳的应用前景。
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