摘要
由于柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性和灵活多变的形态结构等优点,近年来在电子皮肤、医疗保健、纺织品、航天航空和环境监测等领域得到了广泛的应用。柔性传感器主要由柔性基体和导电网络两部分组成。水凝胶作为柔软且湿润的材料，是柔性基体的最佳候选材料之一。然而，传统水凝胶力学性能较差、柔软易碎，所以在实际应用中受到了很大限制。鉴于此，本论文设计了Fe3+-海藻酸钠/聚(丙烯酰胺-丙烯酸)(Fe3+-SA/P(Am-co-Ac))双网络水凝胶，其中以Fe3+作为物理交联点，获得了力学性能优异的水凝胶柔性基体。在此基础上，在水凝胶基体中引入了一维纳米金属网络(银纳米线，AgNWs)或离子网络(四甲基氯化铵，TMAC),极大地改善了水凝胶的传感能力，赋予了水凝胶抗菌能力或温度响应能力。主要研究内容如下: (1)Fe3+-SA/P(Am-co-Ac)高强度抗菌水凝胶的制备及其性能研究。在这一部分,本文将AgNWs引入Fe3+-SA/P(Am-co-Ac)水凝胶基体中。为了改善AgNWs与水凝胶基体之间的界面连接,使用N，N''-双(丙烯酰基)胱胺(BACA)对AgNWs进行表现修饰，得到BACA@AgNWs。采用万能力学试验机、傅里叶红外光谱仪(FTIR)和高分辨拉曼光谱仪等仪器表征双网络水凝胶的理化性能;利用扫描电子显微镜(SEM)观察双网络水凝胶的断面形貌;用电化学工作站和数字精度万用表等仪器测试双网络水凝胶的传感性能。实验结果表明:使用BACA对AgNWs进行表面修饰，一方面消除了AgNWs和水凝胶有机基体之间的界面缺陷，改善了力学性能;另一方面还可以提高水凝胶的导电性。当BACA@AgNWs含量为2mL时，水凝胶力学性能最佳，拉伸强度为3.87MPa,断裂伸长率为3127％,断裂能为112.32MJm-3。此外，AgNWs的引入还可以赋予水凝胶优异的抗菌性能。所制备的Fe3+-SA/P(Am-co-Ac)/BACA@AgNWs水凝胶不仅能监测到变化较大的关节运动，还能感应到说话和脉搏跳动等细微的身体运动，是理想的柔性应变传感器。 (2)Fe3+-SA/P(Am-co-Ac)高强度抗冻水凝胶的制备及其性能研究。在这一部分，重点考虑改善Fe3+-SA/P(Am-co-Ac)水凝胶的环境适应性。因此，本部分选择TMAC为导电添加剂，水/甘油(GL)为混合溶剂，确保水凝胶在干燥、低温等极端条件下仍能发挥作用。采用万能力学试验机、差示扫描量热仪、电热鼓风机和低温冰箱等仪器表征双网络水凝胶的理化性能;利用扫描电子显微镜(SEM)观察双网络水凝胶的断面形貌;用电化学工作站、数字精度万用表和Linkam拉伸台等仪器测试双网络水凝胶的传感性能。结果表明:TMAC的引入不仅有利于改善水凝胶的传感性能，还能够提高其断裂伸长率;GL的引入则极大地提高了水凝胶的抗干燥性能和抗冻性能。当TMAC含量为1g,GL浸泡时长为3h时，(Fe3+-SA/P(Am-co-Ac))/TMAC/GL水凝胶的力学性能最佳，断裂伸长率为1420％,断裂强度为5.43MPa,压缩到80％应变时，能承受12.17MPa的压力，还具有较好的自恢复性，恢复1h后，最大压力能恢复至100％。更为重要的是，(Fe3+-SA/P(Am-co-Ac))/TMAC/GL水凝胶的传感能力也更加多元化，能够对应变、应力、湿度和温度等刺激做出响应。
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