摘要
近年来，将柔韧性、延展性、导电性和生物相容性等优良特性融合为一体的导电水凝胶材料受到广泛关注，尤其是这一材料作为传感器在柔性可穿戴设备中的应用更是成为了研究热点。但是，大多数凝胶传感器在实际应用过程中仍然受到力学性能差、传感探测范围有限、功能单一、灵敏度低等多项因素的制约，限制了其在应用领域的推广与发展。在凝胶体系中构建包含物理、化学作用的双重或多重相互作用可协同改善凝胶材料力学和传感性能。本论文研究中，采用具有刚性分子链和生物相容性的壳聚糖（CS）构建第一网络，选用柔性分子链的聚丙烯酰胺（PAAm）或聚丙烯酸（PAA）构筑第二网络，通过选用不同方案对双网络结构进行了优化，赋予水凝胶优异的力学性能和传感性能。论文主要研究内容如下： 在CS水溶液中引入第二单体丙烯酸（AA）与丙烯酰胺（AAm）共聚，通过一步法制备了P(AAm-co-AA)/CS水凝胶，CS分子链上的氨基、羟基与P(AAm-co-AA)分子链上的羧基形成大量弱氢键相互作用；将P(AAm-co-AA)/CS进一步浸入Fe(NO3)3溶液中，Fe3+与羧基形成强金属配位键，得到P(AAm-co-AA)/CS-Fe3+水凝胶。研究了AA单体、CS和Fe3+在凝胶网络构筑中发挥的作用，具有适量组分配比和浸盐时间的P(AAm-co-AA)/CS-Fe3+凝胶不仅具有优异的力学性能，而且具有优异的传感特性。 选用季铵化壳聚糖（QCS）代替CS，原位聚合制备了QCS/PAA水凝胶。QCS具有高的电荷密度和溶解能力，与PAA通过静电相互作用形成交联网络。研究了不同QCS和AA的质量比对水凝胶结构和力学性能的影响，QCS的引入使离子浓度提高，凝胶不仅获得良好的导电性，同时还具有一定的抗冻性能，拓宽了凝胶的使用温度范围。离子基团赋予QCS/PAA水凝胶良好的粘附性，可以与皮肤表面实现紧密贴合。同时，QCS/PAA水凝胶具有较高应变敏感性。 在QCS/PAAm水凝胶体系中引入无机导电填料MXene二维纳米片，获得了QCS/PAAm/MXene复合水凝胶，研究了填料含量对水凝胶结构及力学性能的影响，适量MXene在凝胶内部形成导电网络，不仅改善了水凝胶的力学性能，而且提高了其对微形变的传感灵敏度，可实现对人体细微运动的监测。
NETL