摘要
近年来，离子凝胶因具有良好的导电性、柔韧性和外界刺激响应性，在柔性可穿戴设备、生物电子器件和生物传感器等领域引起了广泛的关注。其中，天然高分子基离子凝胶因其聚合物骨架具有良好的生物相容性和环境友好性，且易降解、可回收，成为新一代环境友好型柔性可穿戴器件的理想候选材料。然而，大多数天然高分子基离子凝胶具有强度低、拉伸性差和功能性差等缺点，限制了其发展和应用。因此，开发和制备具有高可拉伸性、多功能性的天然高分子基离子凝胶具有重要的意义。本文选取明胶、壳聚糖、支链淀粉等天然高分子作为基体材料，以多官能团分子作为交联中心，采取化学-物理双交联手段，制备出了具有高拉伸性、良好导电性、可回收的多功能天然高分子基离子凝胶，且基于该离子凝胶设计的柔性应变传感器具有宽的检测范围和快速响应时间。具体研究内容如下： (1) 以明胶为聚合物基体，柚皮素环氧为多官能团交联剂，在离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐 (AMIMCl) 中原位交联制备了绿色可回收的多功能离子凝胶。得益于独特的多功能化学交联网络以及多种可逆的非共价相互作用，所制备的离子凝胶具有高拉伸性 (1020%)、优异的弹性、快速的室温自修复性 (6 分钟时的愈合率＞98%) 和良好的可回收性。这些离子凝胶也具有高导电性 (30.7 mS/cm)，并表现出良好的耐温性 (-23℃～252℃) 和出色的紫外线屏蔽能力。另外，离子凝胶基应变传感器具有高灵敏度、快速响应性 (102 ms)、优异的耐温性和循环稳定性。更重要的是，该传感器可用于信号监测系统中各种人体运动的实时监测。 (2) 以明胶为基体，低酰基结冷胶和无水氯化钙为辅助材料，纳米壳聚糖纤丝为多官能团交联剂，在离子液体 1-丁基-3-甲基咪唑 L乳酸盐 (BMIMLLac) 中通过缩合反应制备出了高可拉伸纳米复合液晶离子凝胶。该离子凝胶具有良好的拉伸性 (1473%) 和拉伸强度 (247.9 kPa)。此外，离子凝胶还具有良好的高低温耐受性 (-61℃～251℃)、离子导电率、光致发光行为和良好的流变性能。得益于壳聚糖纳米纤丝的引入，该离子凝胶具有液晶行为。令我们惊喜的是，该离子凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌性能。基于该离子凝胶设计的薄膜传感器具有良好的温度响应性、检测范围和灵敏度。因此，该离子凝胶可作为制备多功能柔性电子器件的理想材料。 (3) 以支链淀粉为基体，氯化锌 (ZnCl2) 和丙烯酸为辅助材料，丙烯酸基超支化聚酯 (HP-A) 为多官能团化学交联剂，在 1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯 (EMIM(EtO)2PO2) 离子液体中一步光聚合法制备了高拉伸、光致发光离子凝胶。红外结果表明，离子凝胶组分之间存在很强的氢键、配位键等相互作用。力学性能测试结果表明，离子凝胶内部的化学-物理双交联网络结构使其具有高拉伸性 (3623%)、良好的韧性 (可达 4.28 MJ/m3) 和快自修复性 (3 min)。此外，基于该离子凝胶制备的柔性应变传感器具有超宽的检测范围和快速响应时间。重要的是，离子凝胶具有特殊的光致发光行为，为其在防伪、产品追溯、质量认证和信息加密等方面的应用提供了可能。
NETL