摘要
水凝胶是含有大量水的三维网络，由于其软湿的性质类似于人体组织，在生物医用、仿生皮肤、电子传感等应用有着巨大的潜力。但是在实际应用当中存在着力学性能差、功能单一、欠缺的生物相容性等问题，阻碍着水凝胶的发展，而且水凝胶在应用过程中会不可避免的受到损伤，赋予水凝胶自愈合性能可使其修复至原有的结构与性能。纳米纤维素是纳米尺度的纤维素，有着来源广泛、绿色可降解、良好的生物相容性以及高的比表面积等特点，可添加至材料当中提高力学性能。本课题通过低共熔溶剂(DES)结合2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)氧化制备纳米纤维素，将制备的纳米纤维素引入水凝胶，制备多功能的水凝胶并探究其在柔性传感器方面的应用。主要的研究成果如下: (1)以农业加工副产物豆渣结合DES/TEMPO法制备了含有羧基的纳米纤维素，得出制备纳米纤维素的最佳工艺为:反应温度为30℃，次氯酸钠的量为6mmol/g纤维素，反应时间为3h，该条件下纳米纤维素羧基含量最高，为1.723mmol/g纤维素，得率为77.53％。TEMPO氧化后得到均匀分布且透明度高的纳米纤维素，平均直径为13.1nm，TEMPO氧化后纤维素的结晶度由51.46％下降到44.33％。通过红外光谱和X-射线衍射分析，揭示了TOCN具备高分散性的机理。该方法制备豆渣纳米纤维素可行且简便，为豆渣的高值化利用提供了理论基础。 (2)由贻贝启发，将单宁酸(TA)涂布至纳米纤维素的表面制备了TA@CNF，将其引入硼砂交联的聚乙烯醇(PVA)制备具有自愈合性能的PVA/TA@CNF(PTC)水凝胶。PTC水凝胶有着85％以上的含水量以及高的溶胀率(500％)，在高的含水率下，TA@CNF的引入使得水凝胶的断裂应力有了极大的提升，断裂应力提高了十倍以上，且有着高的断裂应变(1723％)，说明纳米纤维素对水凝胶有较强的物理增强作用。PTC水凝胶具有快速自愈合的能力，而且PTC水凝胶有着温度响应的能力。通过TEM和红外光谱分析，证明了TA@CNF的形成，阐明了PTC复合水凝胶具备快速自愈合的能力的机理。PTC水凝胶的自粘附能力使其可以粘附在人体表皮上进行运动信号的检测，并具备灵敏、稳定的特性，为PTC水凝胶在人体柔性传感器方面的功能应用提供了一定的基础。 (3)PVA/TA@CNF/LiCl(PTCL)水凝胶是将无机盐LiCl引入水凝胶网络制备抗冻保湿的高导电水凝胶。PTCL水凝胶保持着快速自愈合的性能，在90s内愈合已经断裂的界面。作为应变传感器，PTCL水凝胶可以紧密的粘附在人体表面，在剥离时也不会留下痕迹且不会对人体造成损伤。PTCL水凝胶有着高导电性(最高可达到15.63S/m)，且有着随着应变增大而增大的灵敏度，在传感应用中也表现出色。DSC实验显示PTCL-2水凝胶最低在-63.1℃下冻结，水蒸发实验证明了PTCL水凝胶可暴露在空气中而保留较高的水分，提高了水凝胶的可用性。LiCl与PVA之间产生了一定的盐析作用，在水凝胶中产生更多的可供离子传输的通道，揭示了PTCL水凝胶具备抗冻和保湿性能的机理，为PTCL水凝胶在人体柔性传感器方面的应用研究奠定了基础，并拓宽了其应用领域。
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