摘要
随着5G通信、物联网、人工智能等信息技术的迅速发展，人们的生活逐步迈入“万物互联”的新时代。柔性可穿戴传感器作为人们感知信息的主要来源和与环境进行交互的重要手段，目前呈现出爆炸式的增长。常见的柔性可穿戴传感器通常采用聚乙烯醇（PVA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚丙烯酰胺（PAAm）等柔性材料作为基底，并添加金属纳米颗粒、氧化石墨烯、碳纳米管等导电材料来制备。这类传感器的传感机制是将机械作用下传感材料的形变信号转化为电信号进行监测。随着检测需求的不断增加，人们希望柔性可穿戴传感器除了具有一定柔韧性之外，还需要满足高灵敏度、自修复性等功能化要求。所以迫切需要一种多功能化的柔性传感器材料。 水凝胶是一种具有与人体皮肤模量相匹配的三维聚合物网络，因其优异的拉伸性能和良好的导电性能等优势，被视为下一代柔性可穿戴传感器的理想材料。但是，目前常见的化学交联水凝胶通常缺乏粘附性、自修复性以及可降解性等综合性能，无法满足可穿戴设备的需求。除此之外，传统水凝胶由于自身存在大量水分，容易在低温环境中冷冻，在高温环境中快速失水，最终引起性能急剧下降。因此水凝胶的稳定性也是一个亟需解决的问题。基于此，开发兼具拉伸性、粘附性、自修复性和导电性的保湿水凝胶以应用于柔性可穿戴传感器领域具有重要意义。本论文采用溶胶-凝胶法制备了碳化钛/聚丙烯酸（MXene/PAA）水凝胶，并通过溶剂置换法赋予水凝胶抗冻保湿性能，研究了其在柔性传感器领域的应用，具体内容如下： （1）针对传感器灵敏度低、检测范围窄这一问题，制备了一种高灵敏度、宽检测范围的多功能导电水凝胶（MXene/PAA）。在该体系中，以具有优异亲水性、高比表面积、金属导电性的二维MXene（Ti3C2）材料作为导电填料，丙烯酸（AA）单体通过自由基聚合形成的聚丙烯酸（PAA）作为水凝胶基质，过硫酸铵和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为引发剂和交联剂，通过溶胶-凝胶法制备MXene/PAA水凝胶，其中MXene纳米片与PAA基质网络通过氢键相互作用实现两者的牢固结合。在该体系中，通过调控MXene/AA质量比以调控水凝胶的拉伸性能、自粘性以及电导率，进而协调可穿戴传感器的机械性能和导电性能。通过应力-应变测试以及电阻测试来表征水凝胶传感器的检测范围以及灵敏度。实验结果表明，通过优化MXene和AA的质量比，所获得的MXene/PAA水凝胶传感器不仅实现宽检测范围为1050%，而且灵敏度高达4.94。此外，水凝胶兼具自修复性、自粘性以及可降解性等多种功能。我们将其用于可穿戴式应变传感器，可以实现对人体运动信号的有效检测。这项工作为下一代用于人机交互领域的柔性、自修复的粘附传感器和电子皮肤的开发提供了新的思路。 （2）针对第二章工作中，MXene/PAA水凝胶抗冻保湿性差这一问题，采用甘油溶剂置换策略，提高了MXene/PAA水凝胶传感器的抗冻保湿性能。在该体系中，通过甘油溶剂置换MXene/PAA水凝胶中的水分子，得到水和甘油作为混合溶剂的MXene/PAA复合凝胶。甘油可以与水分子形成强氢键相互作用，既阻碍了水分子的蒸发又抑制了低温下冰晶的形成，使得复合凝胶具有良好的抗冻保湿性能。在该体系中，通过优化溶剂置换时间，进而平衡复合凝胶的传感性能和抗冻保湿性能。通过应力-应变测试以及电阻测试来表征水凝胶传感器的检测范围以及灵敏度。在甘油和水作为混合溶剂的条件下，甘油与水分子的氢键作用扩宽了凝胶的检测范围与灵敏度。旋转流变仪测试结果表明，甘油与水分子形成的氢键可以抑制低温下冰晶的形成，赋予复合凝胶良好的抗冻性能。此外，复合溶剂可以有效地增强凝胶保湿性能，在解决失水性这一问题提供了一种解决方法。我们将该水凝胶响应的电信号通过蓝牙与手机连接实现对人体运动的无线监测，为低温下远程监测人体生命活动提供了一种新的思路。
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