摘要
水凝胶是一种高含水量的软湿材料，与软组织相似，具有良好的生物相容性、适当的生物活性和可控的几何形状。由于性质可调节，导电水凝胶研究引起研究者的关注。然而，导电水凝胶存在机械性能较低、耐环境稳定性较差、灵敏度低、响应时间和恢复时间较慢、不能在极端条件下使用和外接电源等不足，限制了它在柔性可穿戴设备方面的应用。本论文针对导电水凝胶现有的不足，设计和合成了四种导电水凝胶材料，分别研究他们的机械、导电和传感性能，主要研究内容如下： （1）通过物理化学驱动的过程与二元介质相关联来制备水凝胶。丙烯酰胺（AAm）和乙酸乙烯酯（VAc）在聚乙烯醇（PVA）/羟基化多壁碳纳米管（mCNT-OH）水/二甲基亚砜（DMSO）溶液中发生原位自由基聚合。水凝胶传感器既具有优异的拉伸强度?抗冻性和溶剂挥发性，又由于mCNT-OH形成导电途径，表现出优异的应变敏感性（GF=6.39，在200~560%范围内）。其响应时间与恢复时间分别为80ms和60ms。在200%应变下进行260多次循环测量后，应变灵敏度不会下降。水凝胶传感器可以稳定地跟踪大幅度或细微的人体运动。然后，它在失语症、体育锻炼或康复等人机界面的应用中很有前景。 （2）在乙二醇（EG）/H2O中的UV交联制备了负载LiCl的聚（丙烯酸-N-异丙基丙酰胺）（PAA-NIPAm）水凝胶。水凝胶具有良好的力学特性，例如断裂伸长率为700%，断裂强度为20KPa，可以粘附在各种基质上，并抵抗霜冻和溶剂挥发。特别是它具有8.51S·m-1的优异导电性。基于电阻的变化，水凝胶显示出广泛的应变敏感性，GF在300%~700%范围内达到5.84。它的反应和恢复时间很短，在1000次以内仍然稳定。此外，水凝胶还被组装成一个开路电压为0.74V的自供电设备。该设备可以将拉伸或压缩等外部刺激转化为输出电流变化，从而实时有效地检测人体运动。 （3）合成了4-（甲基丙烯酰氧基）乙基-1-亚苯基酸（MMBA）和1，4-（5-己烯基氧基）苯（RM26）作为超分子交添加剂，并将其插入聚乙烯醇（PVA）水凝胶中。采用盐浸法制备了一系列导电水凝胶（PVA-PMR-NaCls）。最优异PVA-PMR5-NaCl韧性为15.92MJ·m-3，断裂伸长率为600%，拉伸强度为5.61MPa，杨氏模量为2.16MPa。它能够承受盐水离子的副作用，因为具有柔性链段和刚性基团的特定分子进行干预。由于网络中的羧基，PVA-PMR5-NaCl的电导率比原始PVA-NaCl高3.0S·m-1。它对拉伸应变表现出较高的规范因子（GF），在200%应变以上达到6.24。PVA-PMR5-NaCl传感器在检测人体运动过程中具有高灵敏度?稳定性和快速响应性。此外，通过与锌片和铜片组装的自供电PVA-PMR5-NaCl传感器实现了0.809V的开路电压，并且同样可以根据电流变化跟踪拉伸、弯曲和压缩运动。 （4）在上一部分的基础上，制备了一种由聚乙烯醇（PVA）、对苯乙烯磺酸钠（SSS）、MMBA和RM26共聚物组成的抗膨胀水凝胶的制备。该水凝胶传感器表现出高拉伸（546%）、高拉伸强度（2139KPa）、高灵敏度（GF=4.76）、快的响应/恢复时间（0.143s和0.123s）和超高的透明性能。在此基础上研制了一种水下应变传感器，不仅用于环境中下运动的监测，还可以从水下检测水滴从高处下落引起波动。因此，本研究为生成可用于水下环境的水凝胶传感器提供了一种简便的策略，并扩展了可穿戴电子设备的潜在应用。
NETL