高强度纤维素基柔性应变传感器件的制备及性能研究
导电水凝胶是一种具有导电功能的交联网络新型功能材料，它结合导电材料的导电性和水凝胶的柔韧性，已广泛用于柔性应变传感、电子皮肤等领域。然而，目前开发的水凝胶难以兼具可生物降解、高机械强度、多功能性等特性，限制其使用需求。本论文面向可持续发展目标，立足解决水凝胶存在的不足，将天然高分子材料纤维素与导电离子或导电填料相结合，构筑了一系列纤维素基导电水凝胶，叙述了纤维素基导电水凝胶的制备过程，阐明了其形成机理，并探讨了纤维素基导电水凝胶在应变传感、人体运动检测和电子皮肤等领域的应用前景。论文的主要内容分以下三个部分。 （1）以LiOH/尿素水溶液低温溶解纤维素，经长链化学交联剂1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDDGE）化学交联，其“隐藏长度”可提供更大的纤维素分子链活动区域，显著提高水凝胶弹性和力学耐久性。然后将化学交联水凝胶浸入氯化锂（LiCl)/甘油（Glycerol）/水溶液物理交联，在此过程中纤维素分子链周围的碱/尿素包合物被缓慢破坏，裸露的纤维素链重新形成分子内和分子间氢键，进一步提高其力学性能。同时水凝胶内溶剂和凝固浴中的Li+能显著提高水凝胶抗冻性和导电性，甘油的引入也可增强水凝胶的保水性和抗冻性。应变传感实验表明:纤维素离子导电水凝胶对外部刺激具有快速响应性，另外，纤维素离子导电水凝胶不仅对手指、手肘和手腕弯曲表现出电阻响应性，而且可以有效检测说话、皱眉及脉搏等微小动作; （2）以LiOH/尿素水溶液低温溶解纤维素，将AgNO3溶解在纤维素碱/尿素溶液中,利用固有碱环境和纤维素链上的羟基，诱使AgNO3原位还原成银纳米立方体，并均匀分布在水凝胶内，大大改善传统纳米填料的团聚现象。同时借助化学和物理双交联作用,制备出多级孔洞网络结构，既有利于增强材料力学性能，同时多级结构中的大孔帮助水凝胶受迫时的能量耗散，而致密的微孔或介孔可以维持水凝胶在外力作用下的弹性，赋予水凝胶优异的抗张强度和弹性。由于水凝胶内纳米银的均匀分布，赋予其优异的导电性和抗菌性能。纤维素/纳米银水凝胶材料（CAH）对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出优异的抑菌效果（≈99.99％）。传感实验表明:CAH水凝胶可对人体较大运动进行实时监测，还可监测到细微的动作，比如说话等行为，且CAH水凝胶具有电容式触摸传感能力; （3）以纤维素、羟基化改性多壁碳纳米管（MWCNT-OH）为原料，通过化学物理双交联技术制备出纤维素/羟基化改性多壁碳纳米管水凝胶（CH/MWCNT-OH）,羟基化改性多壁碳纳米管可与纤维素链上羟基形成氢键,大大改善其在纤维素溶液中的分散性和稳定性。考察MWCNT-OH的含量对水凝胶力学性能和导电性能的影响。热重(TG)分析纯CH和CH/MWCNT-OH复合水凝胶的热稳定性。应变传感实验表明:CH/MWCNT-OH不仅对手指、手腕弯曲表现出电阻响应性，而且可以有效检测吞咽微小动作。
柔性应变传感器件;纤维素基导电水凝胶;制备过程;电阻响应性
武汉纺织大学
硕士
材料与化工
张如全;涂虎
2023
中文
TP212.1;TP204
2023-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）