甜菜碱型水凝胶的制备及在柔性可穿戴设备中的应用

作     者：熊艺航 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张翼

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：水凝胶 甜菜碱 缠结 低溶胀 柔性可穿戴设备 

摘      要：可穿戴设备的广泛应用提高了大众生活品质,但其多为刚性、笨重的机械设备,缺乏精确性与舒适性。设计具备柔软可拉伸的柔性可穿戴电子设备成为一条备受关注的发展路线。具有两性离子的甜菜碱型水凝胶因其良好的生物相容性、高保水能力、抗污性、柔韧等特点在可穿戴传感器和可穿戴能源设备中前景广阔。目前,甜菜碱型水凝胶多通过化学交联剂或与金属离子络合实现成胶,但这对于贴身设备或者植入型设备来说存在安全隐患,且未能充分发挥两性离子的优势特性。同时,水凝胶溶胀会导致性能减弱,并且严重影响设备精准度。因此,在保持甜菜碱型水凝胶的优秀特性的同时尽可能规避其潜在问题是一个巨大挑战。基于甜菜碱型水凝胶的发展现状与不足,本论文设计开发了以缠结和静电作用为主的高缠结型水凝胶,同时在第一个工作基础上通过共聚疏水单体配合局部增大交联密度的方式制备了低溶胀型水凝胶,具体研究内容如下:(1)以高浓度的磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯(DMAPS)和丙烯酰胺(Am)作为聚合物单体,并加入小分子甜菜碱作为离子交联剂,通过自由基共聚法一步制备了以缠结与静电作用为主的甜菜碱型水凝胶(AMDB)。甜菜碱及DMAPS间的静电作用极大的提高了凝胶拉伸性,该凝胶表现出高度拉伸性(3000%)以及一定断裂强度,并能在多次高拉伸循环下保持稳定。水凝胶内具有丰富的两性离子,因其反聚电解质效应增大了电解液的吸收,减少了电池长时间使用造成的水分挥发对电池性能的影响,同时有助于提高离子迁移率,大大提高电池性能。将其作为准固态电解质应用于铝-空气电池中,表现出高开路电压(1.89 V)和大电流密度下(20 m A/cm)的高输出电压(1.3 V)。高缠结体系的搭建能有效避开影响人体健康的交联剂的加入,并维持溶胀后凝胶的强度,为凝胶在多种环境的长时间存在提供了强有力保证。AMDB水凝胶在酸、碱、盐溶液中溶胀至少5天不发生解体。(2)为充分发挥缠结维持凝胶力学性能的特点,本研究在第一个工作的基础上,模仿人体皮肤的分层结构,通过两步法开发了一种低溶胀水凝胶(AM/HAD)用以保证水凝胶的实际应用价值。第一步通过共聚疏水性单体调节水凝胶的亲疏水性,制备获得了高缠结水凝胶。第二步通过短时间浸泡入丙烯酰胺预聚液中,再通过光引发聚合得到表层双网络水凝胶。通过提高表层交联密度,从结构上抑制了水凝胶溶胀。丙烯酰胺作为一种亲水性单体却能抑制溶胀,这体现了表层双网络结构抑制溶胀的普适性。制备的水凝胶实现了溶胀率仅为104%的优异能力、130 k Pa的高抗拉强度以及与皮肤类似的应力增强的独特性能。将其应用于可穿戴应变/压力传感器,可具有3.10的高灵敏度系数以及稳定的传感能力,能感应手指、手肘屈伸以及不同行走速度等人体活动。图37幅,表7个,参考文献100篇