多功能离子水凝胶的制备及其在柔性应变传感器中的应用.pdf

摘要

柔性应变传感器可以将机械变形转换为可视化的电信号，广泛应用于人机交

互和人体运动监测等领域。离子导电水凝胶是一种具有良好顺应性、灵敏度、导电

率和生物相容性的材料，并且具有与生物组织相似的模量，因此可以作为柔性传感

器和可穿戴电子设备中理想的弹性敏感元件。在实际应用中，柔性传感器往往处于

复杂的使用环境，而传统功能单一的水凝胶已经难以满足人们的需求。因此，实现

离子导电水凝胶的机械性能、导电性、抗冻保水性和粘附性等多功能的集成，对于

保证和提高其在柔性传感器领域中的稳定性、可靠性和耐用性具有重要的现实意

义。基于此背景，本文基于水凝胶聚合物链的可设计性，从材料构成和网络结构出

发对水凝胶的性能进行调节和改进，制备了兼具良好机械强度、导电性能、粘附性

能、抗冻保水性能、响应灵敏的多功能离子导电水凝胶，并探究了其在柔性应变传

感器和超级电容器中的应用。主要研究工作如下：

（1）针对多功能离子导电水凝胶对粘附性、环境适应性以及灵敏度等性能的

要求，本文第一章制备了一种双网络多功能水凝胶。对制备的水凝胶进行了微观形

貌、力学性能、电学性能等方面的测试和表征，探究了其在人体运动监测和超级电

容器等方面的应用潜力。结果表明：添加纳米纤维素纤维增强了水凝胶的机械性能

（最大断裂伸长率：871%）。此外，两性离子聚合物SBMA的带电基团与Ca²⁺和

Cl⁻之间的强静电作用赋予水凝胶良好的电导率（2.32S/m），而DMSO的加入提高

了水凝胶在室温（放置7天后的保水率为81%左右）和低温下（-20℃）稳定性。

同时，水凝胶丰富官能团赋予了水凝胶在各种基材上的粘附能力。水凝胶组装成的

自供电传感器电压达到0.816V，并且水凝胶具有较宽的应变检测范围（0-850%，

灵敏度因子GF=21.96），将其应用于应变传感器可以精确监测人体关节运动。

（2）针对柔性应变传感器对于水凝胶的高强度要求，在上一章的基础上，本

章通过引入甘油与天然生物大分子明胶，在聚合物分子链间形成氢键产生致密而

稳定的孔隙结构增强了水凝胶的机械性能（最大拉伸强度达到了0.41MPa，断裂伸

长率为1113%），此外，甘油与水分子间的氢键作用赋予水凝胶在寒冷环境（-20℃）

以及常温下良好的导电性（0.82S/m）、抗干燥性、粘附性、稳定性。同时，水凝胶

可以在机械刺激下产生准确稳定的电信号，并具有良好的灵敏度（GF=13.71，响应

时间为332ms）。最后，将该水凝胶应用于柔性应变传感器和超级电容器。

（3）为了提高水凝胶的导电率、回弹性与抗疲劳性，第三章以离子为变量，

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探究了不同离子（Na⁺、Ca²⁺、Al³⁺、Cl⁻和SO）对水凝胶聚合物链的盐析效应和配

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位作用对水凝胶导电率与机械性能的影响。结果表明Ca²⁺离子的引入不仅赋予了

水凝胶良好的电导率（2.42S/m），还使水凝胶获得了较Na⁺和Al³⁺离子更高的应变

灵敏度（GF=18.4）。此外，氯化钙与甘油在水凝胶网络间形成的配位作用，赋予了

水凝胶较高的拉伸性能（1166%）与抗冻保水性能。最后，将该水凝胶应用于柔性

应变传感器检测人体的关节运动。

关键词：柔性应变传感器，离子导电水凝胶，多功能，两性离子

Abstract

Flexiblestrainsensorscanconvertmechanicaldeformationsintovisualized

electricalsignalsandarewidelyusedinhuman-computerinteractionandhumanmotion

monitoring.Ionicconductivehydrogelisamaterialwithgoodcompliance,sensitivity,

conductivity,andbiocompatibility,andhasamodulussimilartothatofbiologicaltissues,

soitcanbeusedas