基于羟乙基纤维素的抗冻导电凝胶的制备及性能研究

作     者：李沅龙 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴广峰

授予年度：2024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] 

主      题：羟乙基纤维素 抗冻 水凝胶 离子导电 传感器 

摘      要：导电水凝胶是一种广受认可的皮肤传感器材料,由于其可以有效的传递电信号和能量,且具备优异的水分导电性能,有助于提高器件的散热,在开发可拉伸柔性导电材料方面备受关注。然而,水凝胶在保水性和抗冻性方面仍面临挑战,这对其机械和导电性能有着深远的影响。本论文将羟乙基纤维素分别引入到物理交联的聚乙烯醇网络和化学交联的聚丙烯酰胺网络中,制备了具有不同特性的离子导电水凝胶,并对其性能进行了考察。本论文研究主要分为以下两部分: 第一部分,通过固态氧化还原反应制备了羟乙基纤维素/纳米银粒子粉末并将其引入到PVA网络结构中,HEC-Ag与PVA网络在二元溶剂介质中通过物理相互作用制备了有机导电凝胶。制备得的有机凝胶具有优异的力学特性。其应力和韧性分别达到了1.066 MPa和3.86 MJ/m。又因为有机凝胶内部结构特有的孔洞和Ag在其结构中的均匀分散,赋予了有机凝胶高的应变响应性（GF=4.2,在ε=50～200%范围内）,并且在人体进行轻微的活动时,也能快速且稳定的传达信号。此外,DMSO的加入大幅的降低了水分子的冰点且抑制了水的挥发,提升了有机凝胶的抗冻性和防干性,拓宽了其应用温度范围。 第二部分,首先,将聚丙烯酰胺网络和聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸网络之间通过交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）交联形成双交联网络结构,其次,引入羟乙基纤维素和氯化锂到该网络中,通过化学交联制备了HEC/PAM/PAMPS/Li Cl复合水凝胶。并研究HEC、AMPS和Li Cl用量对水凝胶机械性能的影响。研究表明,该水凝胶具有良好的力学性能,如最大拉伸应力为180 k Pa,韧性为927 k J/m。同时,无机盐离子的引入,不仅赋予了水凝胶导电性,还抑制了水的结晶度,为水凝胶带来了出色的耐低温性。并且该水凝胶还具有良好的应变敏感特性,响应时间和恢复时间分别为240 ms和320 ms,随后在固定应变下进行多次循环测量,应变灵敏度不会降低,依然保持稳定。最后,该复合水凝胶还具有生物相容性,实验研究表明,当提取物浓度为100 mg/m L时,细胞存活率达到70%以上。消除了第一部分DMSO溶剂带来的轻微毒性,这种新型离子导电水凝胶在各种领域具有广泛的应用潜力。