基于聚硫辛酸的可修复功能凝胶的制备及其应用研究

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凝胶材料性能良好,并在涂层、传感器、驱动器、软机器人以及生物医学等应用领域引起了广泛关注。然而,由于凝胶的力学性能具有一定的局限性,在外力的作用下凝胶易形成裂纹,这些裂纹可能会影响其网络的完整性,导致凝胶的功能衰退并缩短了凝胶的使用寿命。为了解决这一问题,具有修复能力的复合体系凝胶成为研究热点。本论文从硫辛酸(TA)小分子出发,以本征型修复理论为指导,通过合理的结构设计以及纳米材料的复合,构建了具有磁、电功能的可修复复合体系凝胶,并对其性能及应用进行研究。利用TA高温开环聚合反应(ROP)以及氢键作用、三氯化铁(Fe Cl3)-羧基的配位作用、四氧化三铁纳米粒子(Fe3O4)的掺杂构筑了一种高效自修复磁性凝胶,探讨了磁性纳米粒子、Fe Cl3对磁性凝胶修复性能的影响,并研究了自修复磁性凝胶的流变性和可塑性。当调节Fe3O4质量分数为3.3 wt%,Fe Cl3质量为0.393 g(TA物质的量的1/10)时,该PTA-DIB-Fe/Fe3O4网络磁性自修复凝胶表现出优异的修复性能,其修复10 min便可以达到100%的修复效率。另外,通过频率扫描和阶跃交变实验以及温度流变扫描揭示了磁性凝胶的修复性能与结构的相关性。利用聚乙烯醇(PVA)和硼砂(Borax)与聚TA(PTA)、Fe Cl3共同构建复合体系凝胶,并在复合体系中掺杂适量的多壁碳纳米管(MWCNTs),实现了自修复、超拉伸、高灵敏度的导电凝胶的制备。研究了TA质量分数对复合体系凝胶修复性能及机械性能的影响,当TA质量分数为1 wt%时,复合体系导电凝胶可以实现94±0.7%高修复效率,并且利用能量耗散机制,实现相比于PVA-Borax凝胶高3倍的拉伸性能。研究了复合体系导电凝胶的电修复性以及流变行为,在无需外界刺激下,复合体系凝胶在短时间内(6 s)体现出97%的电修复效率。探究了以该导电凝胶为基底的凝胶传感器的性能,PVA-B-PTA/MWCNTs复合体系凝胶应变传感器表现出高拉伸性(1350%)、高灵敏度(11.50)以及高稳定性(100个循环)。另外,将该复合体系凝胶传感器贴附于人体关节监测人体运动行为,验证了其作为可穿戴传感器的可行性。为了解决凝胶基传感器的低温冻结和失水问题,本研究利用TA,PVA-Borax,羧基修饰的碳纳米管(c MWCNTs)以及乙二醇水溶液(EG水溶液),构建了一种具有耐低温、保湿功能的导电复合体系有机凝胶(PVA-B-PTA-c MWCNTs)。PVA-B-PTA-c MWCNTs有机凝胶展现出优异的耐低温性(-60℃)、长期保湿性能(30天)、优异的稳定性(400次循环)和较高的导电灵敏度(S=0.625 k Pa-1)。另外,该有机凝胶在0~600 k Pa的工作范围内灵敏地监测到不同的连续的压力值。利用手指按压和脚掌踩压验证了该有机凝胶的低温检测能力,为极端环境下柔性传感器的发展提供了更广阔的前景。
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