【摘 要】
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碳纳米管（CNTs）导电纳米复合水凝胶具有良好的导电性、柔韧性及优异的机械性能,是构建可穿戴设备和智能皮肤系统的理想材料之一。然而,由于CNTs在水凝胶中容易团聚,导致水凝胶力学性能及导电性能下降,限制了其在柔性传感领域中的应用。针对这一问题,本论文旨在改善CNTs在水凝胶中的分散稳定性,赋予纳米复合水凝胶优异的机械强度和多功能性,研究开发基于CNTs纳米复合水凝胶的柔性机械传感器,提高其传感性能
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碳纳米管（CNTs）导电纳米复合水凝胶具有良好的导电性、柔韧性及优异的机械性能,是构建可穿戴设备和智能皮肤系统的理想材料之一。然而,由于CNTs在水凝胶中容易团聚,导致水凝胶力学性能及导电性能下降,限制了其在柔性传感领域中的应用。针对这一问题,本论文旨在改善CNTs在水凝胶中的分散稳定性,赋予纳米复合水凝胶优异的机械强度和多功能性,研究开发基于CNTs纳米复合水凝胶的柔性机械传感器,提高其传感性能并拓宽应用范围。首先通过明胶与CNTs之间的多重物理相互作用,形成CNTs-明胶分散体系,改善CNTs在水凝胶中的分散稳定性。随后将CNTs-明胶分散体系和聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶相结合,制备了PAAm/CNTs导电纳米复合水凝胶。对所得水凝胶的结构及力学性能进行表征,结果表明PAAm/CNTs导电纳米复合水凝胶具有良好的拉伸性能（传感范围＞700%）、高拉伸强度（0.71 MPa）、良好的自恢复率（90%）和优异的传感性能。此外,由于CNTs在水凝胶中形成的导电通路,PAAm/CNTs水凝胶表现出优异的应变敏感性（应变为250-700%时的应变灵敏系数GF=3.39）、快速响应性（300ms）和良好的耐久性。所制备的应变传感器可以通过稳定且可重复的电信号检测人体的运动（如肘部弯曲、手腕弯曲、膝盖弯曲、吞咽和发声）,表明其在人机交互和个人健康监测中的潜在应用。为了进一步延长CNTs纳米复合水凝胶的使用寿命,并拓展其在水下传感领域中的应用。我们将CNTs-明胶分散体系引入到聚甲基丙烯酸磺基甜菜碱（PSBMA）网络中,制备了具有快速自愈合能力（约30s）的PSBMA/CNTs纳米复合水凝胶。基于其较高的应变敏感性（GF高达10.35）和压力敏感性(高达0.256 k Pa-1),PSBMA/CNTs水凝胶可以作为应变和压力传感器来精确监测人体运动。同时,PSBMA/CNTs水凝胶传感器具有明显的抗溶胀特性,可以检测水下人体的运动。该研究为构建具有应变和压力传感能力的自愈合水凝胶传感器提供了一种可行的方法,为水下人体运动传感器的研制奠定了基础。
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