多功能粘性凝胶的制备与柔性传感性能研究
柔性传感器因其灵活性、便携性和舒适性等特点而备受关注，在健康管理、电子皮肤和人机交互界面等领域显示出巨大的潜力。水凝胶是一种具有高亲水性、柔韧性和组织相似性的高分子材料，在柔性传感领域显示出独特的优势，是新一代可穿戴传感设备的理想材料。迄今为止，水凝胶基传感器的设计与开发已经取得了很大的进展，但仍面临界面粘附性弱、耐温性差、抗溶胀性差、皮肤顺应性差、透气性差以及应用场景单一等问题。本论文针对上述问题，基于氢键、疏水缔合以及静电吸附等多种相互作用，从网络结构设计出发，制备了多种具有粘附性的凝胶，围绕改善其粘附性、耐温性以及环境适应性等进行了一系列的研究，并将其应用于柔性传感领域，主要研究内容有以下几个部分： 1.为解决传统水凝胶耐温性差和界面粘附性弱等问题，以乙二醇和水的混合物为二元溶剂，丙烯酰胺和聚乙烯醇为基体，并引入含有多酚基团的单宁酸，合成了具有强粘附性和耐温性的有机凝胶。通过对不同组分有机凝胶的机械性能和粘附性测试，分析了单宁酸添加量对其内部交联密度和界面间相互作用力的影响规律。通过DSC和保水性测试，分析了二元溶剂组分对凝胶内部氢键相互作用的影响。实验结果表明，所制备的有机凝胶具有较高的断裂伸长率（1800%）、拉伸强度（320kPa）和较强的韧性（3.02MJ/m3）。该有机凝胶能在多种材料表面稳固粘合，并展现出优异的可重复粘结性。同时，乙二醇和水组成的二元溶剂，使该有机凝胶能够适应不同环境，在-40℃~40℃范围内保持良好的柔韧性、粘附性和导电性。基于以上性能，将该有机凝胶应用于柔性应力传感器，可在不同温度下持续对人体的运动和发音进行精准监测。 2.为解决水凝胶湿粘附性弱和易吸水膨胀等问题，以疏水的丙烯酸酯和亲水的丙烯酸为单体，加入胆碱基生物离子液体和单宁酸，合成了一种具有良好湿粘附性和抗溶胀性的有机凝胶。通过对不同组分有机凝胶在水下环境中的力学、粘附性、电学和溶胀性能进行测试，分析了溶剂交换引起的疏水聚集对其耐水性的影响。所制备的有机凝胶对多种基材都有强韧的湿粘附性，并能实现在水下环境中的长期粘附。疏水聚集使该凝胶具有良好的耐水性，在水中浸泡15天后仍具有较低的溶胀率（7%）、良好的力学性能（断裂伸长率为1500%，拉伸强度为436kPa）和导电性能（离子电导率为0.00421S/cm）。水下生物电监测结果表明该有机凝胶在生理相关频率下表现出极低的界面阻抗（＜15Ω）和极小的噪音（19μV），并可有效地减少运动伪影的影响，在水下环境中获得高质量的心电和肌电信号。 3.为解决水凝胶仅能在单一的空气或水下环境中具有粘附性的问题，扩展其使用范围，通过乙醇来动态调节聚乙烯醇和单宁酸之间的氢键连接，直接在体表涂覆成型的方法，制备了具有良好皮肤顺应性和干湿粘附性的生物凝胶。通过对生物凝胶的粘附性和界面阻抗测试，分析了直接成型的策略对其皮肤顺应性的影响。通过对生物凝胶在水下环境中的力学、粘附性、电学和溶胀性能进行测试，分析了氢键交联密度对凝胶耐水性的影响。实验结果表明制备的生物凝胶具有良好的保形接触性、皮肤顺应性和较低的界面阻抗（13.2Ω）。同时，该生物凝胶在干燥和潮湿环境中均具有较高的力学性能、牢固的粘附性和稳定的导电性。将生物凝胶墨水涂敷在棉布表面制成织物电极，能够在干湿环境中获得高保真的心电信号。此外，将制备的生物墨水与棉布结合制成多通道织物电极，可以在多个通道内对心电信号进行实时监测，以全方位的获取心电信号，降低误诊的风险。 4.为了解决传统块状水凝胶透气性差、响应性差和难以连续制备等问题，通过将热响应水凝胶粘附在商用纤维表面，制备了具有皮芯结构的热响应水凝胶复合纤维。通过构筑特定的锚定基团，解决了商用纤维与水凝胶鞘之间界面粘结弱的问题，实现了水凝胶鞘在商用纤维表面的牢固包覆。经自制的纺丝装置，实现了热响应水凝胶复合纤维的连续化、大规模制备。通过力学、流变和热导率测试，分析了疏水作用和离子键的协同作用对水凝胶鞘热响应性和隔热性的影响。实验结果表明，温度由室温升至70℃，该复合纤维三点弯曲强度能够瞬间急剧增加（从0.26GPa提升到2.58GPa），表现出良好的抗冲击性。同时，该复合纤维具有良好的隔热性能，能使表面接触温度降低约18℃，可有效防止热烧伤。此外，该复合纤维还表现出良好的耐磨性，在1000次磨损循环后仍未发生明显的破碎。将水凝胶复合纤维制成织物电极，其在常温下能够对人体的心电和肌电信号进行高质量监测，高温下，可用作高温防护服装，能够有效保护人体免受外部冲击和热灼伤。
水凝胶;粘附性;柔性传感
东华大学
博士
材料学
张青红
2023
中文
TQ427.26
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）