淀粉基强韧导电水凝胶的制备及其在温度_应变传感器中的研究.pdf

摘要

在众多天然高分子材料中，价格低、来源丰富和生物相容性好的淀粉材料在可穿戴

电子设备领域具有极大的开发潜力，以淀粉为原料制备水凝胶用于柔性传感器有利于进

–OH

一步提高淀粉的科技附加值。但刚性的淀粉分子链由富含大量羟基（）的葡萄糖单

元组成，在制备成淀粉基水凝胶时，–OH之间所形成的大量氢键会造成淀粉分子链受力

松弛慢，使得淀粉基水凝胶易在外力作用下发生破裂；同时淀粉分子链上的羟基电离困

难，导致淀粉基水凝胶的电导率较低，限制了其在柔性传感器中的应用。针对上述问题，

人们通过网络结构调控和离子/电子导电材料掺杂，提升淀粉基水凝胶的力学性能和电导

率。基于此，本论文通过调控淀粉分子间的相互作用力或引入聚乙烯醇与淀粉结合构建

多网络结构来改善淀粉基水凝胶的力学性能，并在体系中引入氯化钠/银纳米线/植酸优

化其导电性能，制备兼具优异力学性能和导电性能的淀粉基水凝胶；同时添加温度敏感

材料赋予水凝胶温度智能性，探究水凝胶在温度/应变传感器中的应用潜力。主要研究工

作如下：

（1）以淀粉为基材，氯化钠（NaCl）为离子导电材料，N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）

/NaCl/NIPAmANN

为温度敏感材料，通过“一锅法”制备淀粉水凝胶（水凝胶）。增加

具有复杂分支结构的支链淀粉在体系中的比例有利于改善淀粉分子链间的相互作用，而

+−−

NaCl在溶解时电离出的Na和Cl可以增加载流子浓度，提高水凝胶电导率；同时，Cl

具有解构氢键的能力，协同支链淀粉优化水凝胶的力学性能；此外通过引入NIPAm赋

予水凝胶温度敏感特性。所制备的ANN水凝胶具有90%的断裂伸长率、12kPa的拉伸

强度和6.6S/m的电导率。基于ANN水凝胶所组装的温度传感器电阻温度系数（TCR

1.4%/℃）较高，可以在25-60℃和36-39℃范围内监测热源的温度变化。以ANN水凝

胶作为应变传感器可以监测人体的运动信号且具有良好的重现性。

（2）为进一步强化淀粉基水凝胶的能量耗散机制，通过聚乙烯醇（PVA）与淀粉

AgNWs

复合构筑动态多网络结构，引入电子导电材料银纳米线（）为淀粉基水凝胶提

供自由电子，制备具有优异力学性能和导电性能的淀粉基水凝胶，同时利用界面相容策

S–SPTSPVA

略改善电子导电材料易团聚问题。具体地，以双硫键（）改性的淀粉（）、

和NIPAm为主体，AgNWs为导电材料，四硼酸钠为交联剂制备多功能淀粉基水凝胶

PPNS–SAgNWsAg–SAgNWs

（水凝胶）。可以与相互作用形成键，改善与淀粉之间

I

的相容性，增强导电金属在体系中的分散性。此外，PVA与淀粉分子链之间通过氢键和

硼酯键构筑双网络结构，硼酯键网络和氢键网络分别做为强韧网络和牺牲网络提高水凝

PPN

胶的机械性能。测试结果表明，水凝胶的拉伸强度、断裂伸长率和电导率分别达到

41kPa、1343%和1.6S/m。此外，该水凝胶展现出优异的自愈性（90%）和可重复利用

性。基于该水凝胶组装的传感器对温度和应变刺激反应灵敏（TCR2.6%/℃，GF1.3）。

36