高韧性聚丙烯酰胺基复合导电水凝胶的制备及其在柔性应变传感器方面的应用

作     者：曹庆龙 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏芸

授予年度：2023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：复合水凝胶 高韧性 低模量 导电可拉伸 柔性应变传感器 

摘      要：水凝胶基柔性应变传感器可以将人体的运动信号(包括各个关节甚至肌肉的微动等)以及生命体征(包括心率、脉搏以及呼吸频率)转化成电信号,从而实现对人体健康参数的监测。但是传统的水凝胶基柔性应变传感器力学性能(包括韧性、模量以及单轴拉伸能力)和导电性能不理想,不能适应人体皮肤复杂的机械形变,无法同时实现对人体大尺度运动以及细微肌肉形变的监测。因此,本论文以聚丙烯酰胺为主体材料设计制备了高韧性、低模量以及能够超长拉伸的复合导电水凝胶,通过将其组装成柔性应变传感器来实现对人体健康参数的监测。具体内容如下:(1)将液态金属镓(Ga)引入到由聚丙烯酰胺(PAm)以及与钙离子(Ca)螯合的海藻酸钠(SA)搭建的双网络(DN)水凝胶中,Ga特殊的电子构型可引发丙烯酰胺自由基聚合并形成以Ga为中心的交联点,完善了DN水凝胶网络。利用Ga在碱性环境中释放的氢气诱导水凝胶内部生成微孔结构,降低了水凝胶的弹性模量。最后,通过SA与Ca动态的螯合-解离以及Ga液滴的弹性形变耗散能量,提高了水凝胶的韧性。优化后的Ga/SA/PAm复合水凝胶具有极高的韧性(2.25 MJ/m),单轴拉伸断裂应变和断裂应力分别为998%,351 k Pa,并且弹性模量仅有133 k Pa,得益于Ca的添加,水凝胶具有良好的电导率(1.9 S/m)。由其制备的柔性应变传感器与人体皮肤有很高的贴合度,表现出较高的灵敏度(GF=4.08)以及极快的反应速度(110 ms)。不仅可实现对人体关节活动(手指、手肘以及膝盖弯曲)以及细微肌肉变化(微笑和吞咽)的监测,还能进行语音识别,呈现较高的稳定性以及分辨率,结合大数据技术,有望应用于语言障碍者的训练和治疗。(2)针对课题一中柔性应变传感器在循环拉伸中出现信号浮动以及无法监测更细微肌肉运动(例如脉搏)的问题,本章以聚丙烯酰胺(PAm)为基体材料,结合表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)以及甲基丙烯酸月桂酯(LMA)构建了杂化交联的疏水缔合水凝胶。利用SDS与导电聚合物聚吡咯(PPy)的疏水缔合作用提高PPy与水凝胶的相容性,赋予了水凝胶电子导电性。LMA与SDS以及PPy之间动态的解离-缔合可以耗散能量,提高了水凝胶的韧性。制备的SDS/PPy/LMPAm复合水凝胶韧性、单轴拉伸断裂应力以及电导率分别为1.44 MJ/m,345 k Pa以及0.57 S/m,并且能够承受1021%的单轴拉伸应变。此外,受叉指电极启发设计出了叉指电极柔性压力传感器用以替代传统的双极电极柔性压力传感器,提高了柔性压力传感器的分辨率。基于SDS/PPy/LMPAm复合水凝胶的叉指电极柔性压力传感器不仅能够辨别出不同的手势动作,还能监测到人体桡动脉的脉冲信号,脉冲峰形中能清晰观察到特征收缩峰(P)和特征舒张峰(P),并计算出脉冲频率(65次/分钟)以及桡动脉增强指数(0.57),这在评价人体动脉血管壁和功能中具有重要作用。