聚乙烯醇基低共熔凝胶的制备与性能研究

作     者：王艳 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫立峰

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：低共熔溶剂 低共熔凝胶 应变传感 聚乙烯醇 高强度 长期耐用性 

摘      要：低共熔凝胶是一种新兴的环境友好型导电软材料,具有独特的离子导电性、环境稳定性和低毒性,且能有效克服传统水凝胶适用温度范围窄以及离子液体凝胶高毒性和高制造成本等问题。因此,低共熔凝胶被视为柔性可穿戴应变传感器的理想候选材料。然而,目前所报道的低共熔凝胶传感器还存在机械性能较差的问题,并且缺少自恢复和抗疲劳能力,难以维持传感器在长期使用过程中的信号稳定性。基于以上问题,本论文以结晶性聚合物聚乙烯醇(PVA)作为凝胶的骨架材料,通过调节PVA在低共熔溶剂(DESs)中的结晶程度实现了两种高强韧、抗疲劳低共熔凝胶的制备,并围绕其在应变传感方面的各项性能以及在人体运动检测方面的实际应用情况展开了一系列研究。在本文第二章中,通过溶剂诱导微相分离的策略实现了高强度PVA低共熔凝胶的制备。这里将PVA溶于水,同时引入DES(氯化胆碱/甘油)诱导PVA发生微相分离,在体系中形成溶剂化良好的区域和溶剂化差的区域。在溶剂化差的区域中,PVA分子链折叠结晶,形成的晶区作为物理交联点极大地提升了凝胶的力学性能,使其表现出高达1.2 MPa的抗拉强度,405%的断裂伸长率以及3.23 MJ m-3的断裂韧性。同时,所制备的低共熔凝胶具有可重塑性,经过高温溶解和重铸可以实现循环再利用。此外,该低共熔凝胶还表现出优异的抗冻性,在-40℃恶劣环境温度下其离子电导率仍然可以达到0.62 mS cm-1。将制备的低共熔凝胶组装成柔性应变传感器显示出优异的传感性能,能够在连续1000次50%固定应变的循环拉伸/释放测试中始终保持信号稳定,具有良好的长期耐用性。基于该凝胶的应变传感器可以检测出多种关节部位的弯曲运动并能区分出手指不同角度的弯曲,在人体运动检测领域具有一定的应用潜力。第三章中我们通过紫外光引发丙烯酸(AA)单体在PVA的DES(氯化胆碱/乙二醇)溶液中聚合,制备了一种具有PVA/PAA二元聚合物骨架的高强韧、抗疲劳、高透明低共熔凝胶。其中PAA分子链与PVA分子链形成的紧密缠结作用极大地提高了 PVA和DES的相容性,促使凝胶中形成分布均匀的小尺寸PVA晶区。这样具有高密度氢键相互作用的低共熔凝胶,因其独特的PVA和PAA缠结作用和分布均匀的小尺寸晶区的存在,展现出优异的机械性能和快速自恢复能力。该低共熔凝胶的抗拉强度为2.6 MPa,断裂伸长率为680%,断裂韧性为8.39 MJ m-3,并且在100%固定应变的循环拉伸/释放测试中,该低共熔凝胶可以在600 s的静置时间后恢复其力学性能。基于该低共熔凝胶制备了一种可靠的柔性应变传感器,该传感器能够在较宽的应变范围(1%～300%)内表现出良好的线性、灵敏度和信号稳定性。更重要的是,该柔性传感器能够在连续1000次100%固定应变的循环拉伸/释放测试过程中保持高度可重复的响应信号,表现出卓越的长期使用稳定性,并在实际检测人体运动方面的应用得到了验证,能够实时检测手背、手指、肘部等大幅度关节运动,甚至喉咙震动之类的细微活动,是一种具有很强应用潜力的柔性应变传感器。