PDA@CNTs导电水凝胶的制备及其在柔性应变传感器中的应用研究

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水凝胶是具有高含水量,可变形性和良好生物相容性的材料。其中导电水凝胶具有良好的导电性能,与天然生物组织相似的柔韧性及自粘附性等特征,逐渐成为制备柔性传感器最佳候选材料。近年来,具有生物相容性、机械柔韧性和抗疲劳性的导电水凝胶得到广泛研究,能够实现多种生理信号和物理信号的监测及传输,促进了柔性传感器的发展。柔性传感器近几年来得到了广泛研究,是柔性可穿戴电子设备的重要组成元件,柔性传感器在人体健康监测,生物电子界面,机器人等领域具有十分广泛的应用前景。柔性传感器逐渐成为人机交互技术和人工智能领域的主要研究方向。本论文以聚多巴胺修饰碳纳米管(PDA@CNTs)为导电填料,增加导电水凝胶的导电性。通过将PDA@CNTs与不同水凝胶基底材料相结合,制备了两种导电水凝胶。导电水凝胶基底材料之间通过非共价键形成的双网络结构改善了导电水凝胶的力学性能。具体研究内容如下:(1)通过自由基共聚和原位复合的方法制备了聚乙烯醇/聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)/聚多巴胺修饰碳纳米管(PVA/P(AA-co-AM)/PDA@CNTs)导电水凝胶。PVA与P(AA-co-AM)通过非共价键连接形成双网络结构,并形成了高效的能量耗散机制。在PVA/P(AA-co-AM)水凝胶中添加PDA@CNTs导电填料,赋予了PVA/P(AA-co-AM)水凝胶良好的电学性能。PVA/P(AA-co-AM)/PDA@CNTs导电水凝胶具有出色的抗拉强度(1.21±0.04 MPa),可调节的应变范围(221.28±12.04%),较高的力学强度(弹性模量为391.91±38.17 k Pa,韧性为1.22±0.36 MJm-3)和良好的导电性(电导率为3.84 S/m)。PVA/P(AA-co-AM)/PDA@CNTs导电水凝胶具有较高的灵敏度(灵敏度因子为1.6),宽的应变感测范围(10%-120%)和稳定的电化学性能,能够监测人体的手指,手腕,胳膊,膝盖处的运动。基于PVA/P(AA-co-AM)/PDA@CNTs导电水凝胶制备的柔性应变传感器可以实现对人体运动信号的监测,在柔性可穿戴电子设备领域具有广泛的应用前景。(2)以海藻酸钠(SA)与聚丙烯酰胺(PAM)为导电水凝胶的基底材料,以甘油和水为二元溶剂,以PDA@CNTs为导电填料,制备了超拉伸,自粘附,高灵敏度的甘油水-聚丙烯酰胺/海藻酸钠/聚多巴胺修饰碳纳米管(GW-PAM/SA/PDA@CNTs)导电水凝胶。SA与PAM形成的双网络结构赋予导电水凝胶良好的力学性能,甘油的加入,不仅为导电水凝胶提供了抗冻耐热性能,还提高了导电水凝胶的力学性能。GW-PAM/SA/PDA@CNTs导电水凝胶具有优异的力学性能,其断裂伸长率能够达到1000±29.32%,抗拉强度为170.9±12.41 k Pa,弹性模量是128.66±20.98 k Pa,韧性为702.27±85.93 k J m-2。GW-PAM/SA/PDA@CNTs导电水凝胶还具有高灵敏度,宽感测范围,在360%应变下,其灵敏度因子可达2.53。除此之外,GW-PAM/SA/PDA@CNTs导电水凝胶还具有抗冻耐热性能、组织粘附性和长期稳定性,当其受到损害时,能够在无任何外部刺激的情况下实现自我修复。基于GW-PAM/SA/PDA@CNTs导电水凝胶制备的柔性应变传感器可以实现人体心电信号的监测,在人体运动信号监测方面,除了可以监测人体的手指,颈部运动之外,还可以实现面部微表情的监测。GW-PAM/SA/PDA@CNTs导电水凝胶显示了其在柔性应变传感器中的巨大应用潜力,并为多功能导电水凝胶的制备提供了新的设计方案。
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