生物质复合凝胶的制备及其在传感器方面的研究
柔性应变传感器因其优良的性能受到广泛的关注。材料选择和结构设计是驱动柔性应变传感器发展的两个重要因素。天然生物材料因其诸多优点如结构独特、化学基团多样、生物可降解性、环境友好等，已成为柔性可拉伸应变传感器领域的新星。本论文以纤维素，单宁酸等物质为原料，合成了生物质复合凝胶，并研究了生物质复合凝胶在柔性可拉伸应变传感器方面的应用。 首先，以α-硫辛酸（LA），氯化胆碱（ChCl）-丙烯酰胺（AM）制备而成的低共熔溶剂（DES）为原料，制备了聚α-硫辛酸-低共熔溶剂离子凝胶（polyLA-DES离子凝胶）。DES与LA之间形成了共价键、离子键和高密度氢键在内的网络结构，从而形成了稳定的离子凝胶。所制备的polyLA-DES离子凝胶表现出超拉伸性（gt;9000%）、100%的紫外线阻挡能力、可调的流变性能和粘附性、优异的离子导电性、抗冻性和透明度。由于该离子凝胶良好的涂布能力，可以涂覆在不同的基底上来组装柔性可拉伸应变传感器。当将polyLA-DES离子凝胶注入冻干好的纳米纤维素（CNF）气凝胶中，将会形成响应性良好的固体凝胶。 其次，在polyLA-DES离子凝胶的基础上，引入纤维素（90μm），将液态凝胶固态化。所制备的纤维素凝胶表现出良好的粘附性（对玻璃的粘附力达69.3kPa）、强的拉伸性能（2500%）和自愈合性（10s恢复到了最大应力的41%）。同时，该纤维素凝胶在不同材料和形状的基底上具有较好地粘附性，并且可以牢固粘附在人体皮肤。基于纤维素凝胶所组装成的柔性应变传感器可用于监测不同动作的相对电阻信号变化，并且表现出持续且稳定的信号传输性能。 最后，以单宁酸（TA）、丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）和Fe3+为原料，基于动态氧化还原反应以及铁离子调控获得聚（丙烯酰胺-丙烯酸）/单宁酸-铁水凝胶（poly(AM-AA)/TA-Fe水凝胶）。所得水凝胶表现出可调的柔韧性、良好的拉伸应变（1500%）、粘附性、导电性（4.45×10-4S/cm）等。将该水凝胶用于组装旨在为小型电器或玩具提供电源的原电池（输出电压可达0.85V），并作为传感器以监测不同动作的相对电流变化，以及实时监测各种人体运动。这项研究将为制备可自供电的柔性应变传感器提供一种有前途的方法。
生物质复合凝胶;柔性应变传感器;纤维素
天津科技大学
硕士
轻工技术与工程
刘苇;李劲松
2022
中文
TQ427.26;TP212
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）