改性聚天冬氨酸交联的导电水凝胶的制备与性能及其在柔性应变传感器中的应用

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:sean1221
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导电水凝胶结合了导电材料和水凝胶的优越特性,具有良好的机械性能以及卓越的电子传输与离子传输能力。作为一种新型的功能材料已引起了广泛关注,并且成为构筑柔性传感器的理想材料。聚天冬氨酸(PASP)含有丰富的羧基和酰胺基团,即使进行侧链修饰也显示出良好的生物相容性和可生物降解性,并且由于其蛋白质链结构成为一种非常有前景的生物材料。因此,本文从聚天冬氨酸和导电水凝胶的结构和性能出发,制备了两种性能优异的可生物降解导电水凝胶,研究了其在柔性应变传感器中的应用。本文以L-天冬氨酸为原料,采用酸催化热缩聚法合成了聚琥珀酰亚胺(PSI),然后通过乙醇胺(EA)的部分开环反应和丙烯酰氯(AC)的丙烯酰化反应改性PSI,随后进行水解制备了具有丙烯酰基侧链的可生物降解的大分子交联剂(MPASP)。以丙烯酸(AA)为单体,可生物降解的大分子MPASP为共价交联剂,FeCl3为物理交联剂,过硫酸铵(APS)为引发剂,在水溶液中进行自由基聚合制备了可生物降解的MPASP-PAA/Fe3+导电水凝胶。研究结果表明,MPASP向水凝胶网状结构中引入的酰胺键和酯键赋予了水凝胶良好的生物相容性和可生物降解性;MPASP和PAA的羧基与三价铁离子之间的动态离子相互作用以及分子链间的氢键作用充当可逆的牺牲键通过断裂-重组提高了水凝胶的能量耗散效率;MPASP和PAA之间的共价键形成的化学交联网络作为弹性支撑网络;同时,FeCl3、MPASP和PAA提供的大量导电离子使水凝胶具有良好的导电性。这些特性实现了水凝胶材料中多重组分的协同效应机制,水凝胶展现出高透明度(96.1%)、较好的溶胀性能(85.84 g/g)、高拉伸/压缩强度(150 kPa/1043.5 kPa)、较高的拉伸性(339%)和电导率(0.1173 S·m-1)。此外,该水凝胶还具有良好的线性响应性和应变灵敏度(在250%应变时灵敏度可达4.93),在重复拉伸卸载实验中,显示出高的重复性和良好的稳定性。当用作柔性应变传感器时,不仅能够即时监测手指、手腕、握拳和屈肘等大幅度的人体运动,还能够识别发声、吞咽等微弱的信号,具有快速的反应能力、良好的可重复性和稳定性。以AA和丙烯酰胺(AM)为单体,可生物降解的MPASP大分子为交联剂,APS为引发剂,并加入氧化石墨烯(GO)分散液,通过自由基聚合制备了可生物降解的MPASP-P(AA-co-AM)/GO导电水凝胶。研究结果表明,GO的加入,对水凝胶的溶胀性能和力学性能有着显著的影响,当MPASP用量为2.5 wt%/(AA+AM)、GO用量为0.3 wt%/(AA+AM)、AM和AA配比为16:4、APS用量为0.8 mol%/(AA+AM),水凝胶的溶胀度为84.96 g/g,压缩强度为775.45 kPa、拉伸强度293 kPa、断裂伸长率可达523%。此外,MPASP-P(AA-co-AM)/GO水凝胶还表现出良好的电-机械性能,随着拉伸应变的增加,水凝胶的电阻变化率和灵敏度因子基本呈线性增加,显示出较高的灵敏度(在130%应变时灵敏度可达3.55)。该水凝胶还展现出高的可重复性和良好的稳定性,可实现对应变量的感知与检测。当用作应变传感器时,既能检测微小的声带振动,又能检测大幅度的手指、手腕、握拳和屈肘等人体运动。
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