基于疏水缔合作用自愈合水凝胶的构建及在柔性应变传感中的应用.pdfVIP

大连海事大学专业学位硕士学位论文

摘要

水凝胶材料是一种具有三维网状的结构且内部含有大量水的凝聚态物质，环境友好，

亲肤无毒，在可穿戴柔性基体材料中具有广泛的应用。传统水凝胶因为力学性能较差，

容易在使用过程中发生损坏，难以保持其原有的性能。

为制备具有一定的力学性能、能够快速自愈合并具有应变传感性能的水凝胶材料，

本文首先合成了疏水缔合丙烯酰胺水凝胶(HPAM)，对该凝胶进行改性制备了具有自恢

2+

复性能的海藻酸钠与钙离子交联网络的(HPAM/SA-Ca)凝胶和自愈合性能的含丙烯酸

改性的(HP(AA-co-AM))凝胶。对两个系列的凝胶进行了结构和性能的表征，并探究了其

作为应变传感器在监测人肢体活动中的应用。

其次，为了提升凝胶的力学性能，通过引入海藻酸钠与钙离子交联的网络对HPAM

凝胶进行增强改性，制备了HPAM/SA-Ca2+凝胶。对其结构和性能的测试表明：与HPAM

凝胶相比，HPAM/SA-Ca2+的拉伸强度提升至0.71MPa；循环拉伸测试及滞后环能量损

耗计算表明，离子交联网络的引入可以使凝胶具有较好的抗疲劳性能和自恢复性能。同

时，凝胶具备优异的导电能力（电导率σ9.3S/m），其在0%-100%应变内的传感灵敏度

GF1.76，可作为柔性应变传感器对人体肢体的运动信号进行有效的响应。

在此基础上，为了在提高疏水缔合水凝胶的力学性能的同时，保持凝胶优异的自愈

合能力，重点研究了丙烯酸(AA)为改性亲水单体，与AM共聚，制备了不同AA含量的新

型系列HP(AA-co-AM)凝胶，并对其结构和性能进行了研究。结果表明：与HPAM凝胶

相比，在基于可逆的氢键与疏水缔合双重动态非共价键作用下，HP(AA-co-AM)凝胶的

拉伸强度提升到0.46MPa，且凝胶断裂后的自愈合能力显著提高，自愈合率提升至60.9%。

同时，凝胶具有良好的导电能力（电导率σ7.3S/m），传感灵敏度（在0%-100%应变内

的传感灵敏度GF0.78）和应变传感信号稳定性。在作为应变传感器使用时，可以对人

体不同的肢体的多样化活动产生有效准确的响应信号，本研究为可自愈合的柔性应变传

感器的开发提供了新的材料。

关键词：胶束聚合；能量损耗；自愈合能力；导电水凝胶；应变传感

I

基于疏水缔合作用自愈合水凝胶的构建及在柔性应变传感中的应用

Constructionofself-healinghydrogelsbasedonhydrophobicassociation

andtheirapplicationinflexiblestrainsensing

Abstract

Hydrogelisakindofcondensedmatterwithathree-dimensionalnetworkstructureand

containingalotofwater,Itisenvironmentallyfriendly,skin-friendlyandnon-toxic,andhas

beenwidelyusedinwearableflexiblematrixmaterials.However,becauseofthepoor

mechanicalpropertiesoftraditionalhydrogels,itiseasytobedamagedintheprocessofuse,

anditisdifficulttomaintainitsoriginalproperties.

Topreparehydrogelswithcertainmechanicalproperties,fastself-healingandstrain

sensingproperties,inthisthesis,wefirstlysynthesized.hydrophobicassociatingac