多功能水凝胶的制备及其在柔性传感器中的应用

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以导电水凝胶为中心的柔性传感器,由于其多孔的三维结构、优异的拉伸性、良好的柔韧性以及生物相容性,引起了广泛的关注。然而,水凝胶的固有的较差的机械性能阻碍了它们的普遍应用。同时,为了在受损的情况下恢复结构和性能,提高灵敏度,自修复能力和自粘附性也是不可缺少的性能。针对以上问题,本文在合理的结构设计的基础上,制备得到了由明胶、聚丙烯酸、单宁酸和氯化铝组成的四元双网络物理交联水凝胶GATA和由单宁酸、羟基化多壁碳纳米管、三氯化铝、聚丙烯酸组成的TA-CNT-PAA纳米复合水凝胶,对他们的性能进行了表征,并探究了他们作为应变传感器的应用。研究显示通过调控明胶和单宁酸的含量,可以调控四元双网络物理交联水凝胶GATA的机械性能,综合性能最优的水凝胶的拉伸强度为84.8 k Pa,断裂伸长率为1727%。凝胶网络中可逆的氢键、配位键以及双网络之间的链缠结赋予了GATA双网络物理交联水凝胶良好的自修复性能,在60℃修复3小时的自修复效率可达到88.4%。单宁酸分子上的邻苯二酚基团为水凝胶提供粘附性。组装后的应变传感器可以用于检测人体的运动,如手指、手腕、膝盖关节的运动,并且表现出良好的响应性和稳定性。进一步的研究显示单宁酸作为稳定剂和分散剂,实现了多壁碳纳米管在水介质中良好的分散。碳纳米管(CNTs)不仅作为导电纳米粒子,增强了TA-CNT-PAA纳米复合水凝胶的导电性,而且作为纳米填料增强了水凝胶的机械性能,水凝胶的断裂伸长率达727%,拉伸强度达222.4 k Pa。由于凝胶网络内可逆氢键和配位键的存在,TA-CNT-PAA纳米复合水凝胶具有出色的自修复能力,室温下修复3h的自修复效率可达88.5%。由于多壁碳纳米管以及游离铝离子的存在,TA-CNT-PAA纳米复合水凝胶具有优异的导电性能、应变敏感性和稳定性,可以用于应变传感器检测人体的运动。
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