聚丙烯酰胺基复合水凝胶的制备及双信号传感性能研究

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近年来,水凝胶因其良好柔韧性、可调控的机械性能及导电性等特点,在人机界面、电子皮肤等领域得到广泛应用,其中具有多信号传感性能的水凝胶电子皮肤受到了广泛关注。本文以丙烯酰胺为单体,以具有热致体积可逆的单体N-异丙基丙烯酰胺及具有抗菌性能的天然高分子壳聚糖为复合对象,通过化学与物理交联法制备了具有三重网络和双重网络的多功能水凝胶电子皮肤。采用FTIR、SEM等方法对水凝胶进行了表征,并对水凝胶电子皮肤进行了溶胀性能、机械性能、导电敏感性及压力-温度双信号监控性能等相关测试。首先,以丙烯酰胺为单体,与具有热致体积转变的单体N-异丙基丙烯酰胺复合,将热敏水凝胶温敏点成功调控至接近人体温度,同时以聚乙烯醇-氧化石墨烯和Fe3+交联的聚丙烯酸双物理网络水凝胶作为填充网络,成功制备了多功能三网络离子导电水凝胶。FTIR测试表明三重网络成功复合且网络之间无相互干扰,机械性能试验表明三重网络的复合提高了水凝胶的机械耐受性,同时,离子及氧化石墨烯的引入赋予了水凝胶良好的导电性。其次,以丙烯酰胺为单体,与具有优异抗菌性能的天然高分子壳聚糖复合,采用一锅法制备了多功能双网络离子导电有机水凝胶。在丙烯酰胺进行自由基聚合形成聚丙烯酰胺的同时,所引入的甘油/水双溶剂中的甘油分子与柠檬酸分子在高温下反应,从而将具有多羟基的甘油分子固定,分子中剩余的羟基裸露,赋予了水凝胶较强的粘附性能。机械性能测试表明柠檬酸分子的引入提升了水凝胶的可拉伸限度,同时增强了水凝胶的抗菌能力,剩余未反应的柠檬酸分子使得氧化石墨烯原位还原而赋予了水凝胶优良的导电稳定性。而且,抗冻性能测试表明水凝胶可以在-10℃仍然保持柔性及导电敏感性。结果表明,所制备的两种水凝胶均具有优异的性能如优异的导电稳定性、机械可恢复性、低溶胀性及压力-温度双信号监控行为。其中所制备的三网络导电水凝胶对压力具有宽泛的可监控范围(~5 kPa),而所制备的聚丙烯酰胺/壳聚糖双网络离子有机水凝胶表现出良好的可拉伸性能(500%),不仅如此,该水凝胶同时表现出良好的保水性、抗冻性(-10℃)及抗菌性能。所开发的三网络导电水凝胶传感器适合应用于监控压力信号变化,而所开发的双网络水凝胶更适合监控大范围形变运动所产生的拉力信号。
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