木质纤维组分可控构筑水凝胶材料及其在柔性电子设备中的应用研究

作     者：王洋 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕高金;姜炜坤

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：木质纤维 水凝胶 传感设备 超级电容器 摩擦纳米发电机 

摘      要：水凝胶是由天然或合成高分子聚合物经物理或化学交联作用形成的一种具有独特三维网络结构的复合多功能材料,一般具有柔韧性、结构可设计性和功能可调控性,在生物医药、传感以及储能等领域备受关注。用于构筑传统多功能水凝胶的原料主要是石油基的合成高分子聚合物（如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等）,由于其不可再生、生物相容性差等功能特性使其应用受限。木质纤维生物质组分具有无毒、生物相容性好、绿色且可再生的特点,在全球“碳达峰和“碳中和的背景下,以木质纤维生物质为功能组分构筑多功能水凝胶材料符合当前绿色发展的理念,成为制备多功能水凝胶材料的热点课题。本论文以木质纤维生物质（纤维素、木质素和单宁酸等）为功能组分构筑具有多种性能（如高机械强度、持久的粘附性能、良好的环境适应性和抗菌性等）的水凝胶材料,并探究其在柔性电子领域的应用。主要研究内容如下: （1）以纤维素、木质素（LS）和柠檬酸（CA）作为功能组分,高浓度的Zn Cl溶液为溶剂,制备具有优异机械性能、持久粘附性能、环境相容性和良好的导电性等特性的木质纤维基多功能水凝胶材料。其中,Zn Cl可以与纤维素、LS和CA结合,为水凝胶材料提供独特的性能:Zn Cl溶液作为溶剂系统具有较强的氢键供体能力,有助于溶解纤维素的大分子链,形成Zn Cl-纤维素体系,将其作为绿色填料添加到水凝胶材料中,提高了水凝胶的机械性能（压缩强度为4.1 MPa,拉伸强度为795.4 k Pa,断裂伸长率为620%）;Zn Cl-LS自催化体系缩短了水凝胶的凝胶化时间,同时,赋予水凝胶长期的粘附性能;Zn Cl可以与LS和CA形成可逆的离子/静电相互作用,进一步改善了水凝胶的粘附和机械性能;木质纤维组分的存在使水凝胶具有抗紫外线性能、生物相容性和抗菌性。此外,作为抗冻剂、保水剂和导电介质,Zn Cl使水凝胶具有良好的环境适应性和导电性(14.2 m S·cm)。所制备的木质纤维基水凝胶材料可以同时适用于柔性可穿戴应变传感器和生物电极等应用,甚至可以在-65℃下有效工作。 （2）以β-环糊精（β-CD）、纤维素、苹果酸（MA）和单宁酸（TA）等作为功能组分,制备具有优异柔韧性、高粘附强度、高抑菌率和环境相容性等特性的木质纤维基多功能水凝胶材料。其中,以MA作为交联剂,通过酯化反应将β-CD接枝到Zn Cl-纤维素体系中,提高水凝胶的机械柔韧性;通过TA与Zn Cl-纤维素系统之间的动态氧化还原反应,极大地提高了水凝胶的粘附强度。此外,该水凝胶还展示出优异的抗冻性能、抗菌性能和抗紫外线性能等。所制备的木质纤维基水凝胶材料具有优异的机械柔韧性（拉伸强度为204 k Pa,断裂伸长率为1024%）,粘附性能（粘附强度为84 k Pa）、抑菌性能（抑菌率为98%）、抗紫外线性能（100%）和抗冻性能（-75℃）。将该水凝胶作为电解质材料,构建的柔性自供电传感器具有高应变灵敏度（GF=1.8）、快速响应性以及优异的电流稳定性,在柔性自供电可穿戴设备领域展示出潜在的应用。 （3）通过TA修饰的MXene纳米片（TA@MXene）、Zn Cl-纤维素和MA电解质构建了三元体系,成功制备了一种具有卓越机械强度和环境适应性的木质纤维基多功能水凝胶材料。其中,TA@MXene和Zn Cl-纤维素体系通过在水凝胶内部形成多网络结构促进了水凝胶的交联,使水凝胶具有1.9 MPa的抗拉强度和3.8 MPa的抗压强度;同时,由于水凝胶内部形成了致密的离子传输通道,该水凝胶的电导率高达38.4 m S·cm。此外,MA电解质系统通过形成酸电离体系为水凝胶提供稳定的p H环境;高浓度Zn Cl溶液增强了水凝胶材料的环境适应性。将该水凝胶作为电解质材料,构建的超级电容器具有良好的比容量(173.5m Ah·g),高能量密度(208.2 Wh·kg)和优异的容量保持率（5000次循环后92.1%）;将该水凝胶作为电极材料,构筑的摩擦纳米发电机,其输出电压高达110 V。该项研究提出的基于TA@MXene、Zn Cl-纤维素和苹果酸（MA）电解质三元体系对指导新型导电水凝胶材料,促进水凝胶材料在柔性储能设备的应用具有重要指导意义。