具有强水下黏附力的、可室温快速自修复的离子皮肤的制备

作     者：周云璐 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张凌

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：离子皮肤 水下黏合 室温自修复 柔性应变传感器 超分子相互作用力 

摘      要：离子皮肤通常由作为导电介质的可移动离子以及作为载体的聚合物主体材料组成。与人类皮肤的传感机理类似,离子皮肤通过离子的迁移和再分配来感知外部的变化。当其用作柔性应变传感器时,由于具有低信号延迟,高灵敏度,应变感应范围宽和导电性良好等优点,受到了越来越多的关注。然而离子皮肤通常很软,并且在应用过程中不可避免地会受到一些损伤而导致性能的下降,因此,赋予其自修复能力,对于提高传感器在使用中的安全性、可靠性和耐用性具有重要意义。然而,大多数离子皮肤的修复需要较长的时间或需要借助光照、加热等外部刺激才能实现。因此,亟需发展可在室温下快速自修复的离子皮肤材料。另一方面,到目前为止,大部分已报道的离子皮肤只能用于空气中的应变传感,一旦当将其应用于水下,受基底表面水合层的影响,离子皮肤将很难紧密地黏附在基底表面,因此不能实现水下的应变传感。综上,针对离子皮肤研究领域目前存在的主要问题,本论文基于“亲水链段吸水和“疏水链段排水两种策略,排除水合层对离子皮肤水下黏附力的影响,实现了同时具有了超高水下黏附力的、可室温快速修复机械损伤的两种离子皮肤的制备,并详细地对两种离子皮肤的水下应变传感性能进行了研究。主要研究内容如下: 在第一个工作中,基于两性离子的溶剂化效应,利用“亲水链段吸水能力,将阻碍在离子皮肤与基底间的水分子吸入到离子皮肤内,从而实现具有高水下黏附性的离子皮肤的制备。本工作通过硫辛酸（TA）的热引发开环聚合构建了聚合物网络的基础线性骨架,之后同时向反应体系中加入两性离子单体（SBMA）,共价交联剂（MBA）,Zr4+,以及离子液体[EMIM][ES],在无需引入溶剂的条件下,一锅法制备了共价交联的离子皮肤。材料内的SBMA能通过溶剂化效应吸收基底表面的水分子,排除水合层的影响。同时TA,SBMA等基团能够基于氢键、静电、配位键、离子偶极等非共价相互作用,使离子皮肤对各种基底均具有较强的黏附力,尤其对于金属基底,其在水下黏附力可达～400 kPa。同时,离子皮肤骨架中高度动态的二硫键,以及氢键和配位键等非共价相互作用,还赋予了离子皮肤快速室温自修复的能力。在室温下修复5 min,材料的机械性能修复效率可达61%,3 h的修复效率可达95%。同时,基于此方法制备的离子皮肤还具有优异的水下传感性能,它能够准确识别不同的人体运动,还可以通过摩斯密码传递信息,实现了水下具有强黏附力和快速室温自修复性能的离子皮肤柔性应变传感器的制备。 在第二个工作中,利用疏水链段对水分子的排斥作用,排除了水合层的影响,从而实现了超高水下黏附力的离子皮肤应变传感器的制备。本工作通过疏水单体丙烯酸-2-苯氧基乙酯（EGPEA）和丙烯酸（AA）的光引发聚合,制得聚合物主体材料,并进一步与疏水的离子液体[EMIM][TFSI]复合,从而制备目标离子皮肤。疏水的EGPEA一方面排除了水合层的影响,提高了材料的水下黏附力;另一方面还赋予了离子皮肤抗溶胀的性能,该离子皮肤在水中放置7天后的溶胀率低于1%。离子皮肤对铜、铝、铁等金属的水下黏附力高达～600 kPa,几乎为目前文献报道的离子皮肤材料的最大水下黏附力。整个离子皮肤为全物理交联网络,因此具备快速的室温自修复能力,将离子皮肤切成两块后立即重新接触,在室温下5 min即可恢复70%的机械性能,在室温下静置1.5 h后,其机械性能几乎完全恢复。基于此方法制备的离子皮肤同样具有优异的水下传感性能,它能够准确识别人体的不同运动,也可以通过摩斯密码传递信息,在水下传感等方面具有广阔的应用前景。