摘要
导电水凝胶作为一类结构、功能可设计的软物质材料，近年来在柔性储能、传感、可穿戴设备等多个领域得到广泛关注。然而，传统水凝胶很容易因疲劳磨损或意外损坏而失效，极大限制了其应用。赋予凝胶自修复功能，使其在损伤后可自我修复，保持结构和功能的完整性，有助延长其使用寿命，保证其使用稳定性。纳米纤维素（CNF）是一种性能优越、来源丰富可再生且可生物降解的纳米材料，掺杂纳米纤维素的复合凝胶表现出优异的力学性能。结合自修复凝胶研究现状，本课题利用纳米纤维素构建了集自修复、导电性及良好的生物相容性等性能为一体的水凝胶，具体研究内容如下： （1）利用醛基纳米纤维素（DCNF）、接枝酰肼基团的海藻酸钠（SA-ADH）、聚乙烯醇（PVA）和硼砂构建双网络导电自修复凝胶PBDS。纳米纤维素醛基和酰肼基团反应得到的动态酰腙键和PVA与硼砂之间形成的硼酸酯键协同作用，保障了凝胶的自修复性能。扫描电镜（SEM）结果显示，引入DCNF和SA-ADH作为第二重交联网络后，交联密度增大，凝胶的三维网络孔径显著减低，且由于DCNF的存在，复合凝胶内部出现多级孔结构。红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、X-射线衍射（XRD）结果证实了复合凝胶内部动态共价键的成功键合。自修复实验结果表明，室温下自修复1h，PBDS的自修复效率可以达到92%。此外，DCNF的加入可以使凝胶的断裂伸长率由480%增至1400%，对应的断裂应力达25kPa。凝胶体系中游离的硼酸根离子（B(OH)4-）和Na+赋予凝胶离子导电性，利用该性能将PBDS组装成应变传感器，可以实现对大形变运动和细微动作的准确监测。 （2）利用苯硼酸修饰的醛基纳米纤维素（DCNF-PBA）、苯硼酸修饰的羧甲基纤维素钠（CMC-PBA）、明胶和MXene制备双网络导电自修复凝胶GCDM。DCNF-PBA与CMC-PBA上的苯硼酸基团间的硼酸酯键和DCNF-PBA上留有的醛基与明胶上的氨基之间的亚胺键双重作用给予凝胶良好的自修复特性。经由SEM、FT-IR、XRD、XPS证实，水凝胶体系中存在亚胺键和硼氧六环结构。机械测试结果表明，水凝胶的断裂应变可达29.3kPa，断裂伸长率为300%。自修复实验表明破损后的水凝胶在适当温度下放置5min后即可实现自修复，水凝胶具备良好的自修复特性，流变测试结果也验证了此项结论。此外，水凝胶流变数据显示，GCDM水凝胶的存储模量和损耗模量在104Pa左右，具有适中的模量，具有可3D打印的可能。对此，将水凝胶进行3D打印操作，可制备成不同图案的水凝胶。此外，由于MXene的掺杂具备优良的导电性能，将其组装成超级电容器后，其储能能力优秀。 总之，本论文针对水凝胶基底材料的机械性能与自修复性能相矛盾的点利用纳米纤维素绿色生物材料制备了力学性能与自修复性能优良的导电水凝胶材料，将其应用于柔性应变传感器、超级电容器等柔性电子器件中，实现了利用天然高分子纳米纤维素作为水凝胶基底材料在柔性电子设备领域的应用，增加了纳米纤维素高附加值利用的潜力。
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