聚丙烯酸基导电水凝胶摩擦纳米发电机的构建及其在人体运动信号监测中的研究.pdfVIP

摘要

摩擦纳米发电机（TENG）因具有成本低、组装工艺简单、结构多样和体积小以及

能量转换效率高等优点，在柔性可穿戴设备领域得到了广泛应用。然而，传统刚性

TENG电极在佩戴时难以贴合人体皮肤，无法满足人们对于柔性可穿戴电子产品的需求。

而含有大量水分的水凝胶具有与人体皮肤相似的特性（柔软、杨氏模量等），因此使用

水凝胶作为TENG电极逐渐引起研究人员的广泛关注。其中聚丙烯酸（PAA）基水凝

胶作为一种常见的高分子水凝胶，其分子链上含有大量的羧基，容易对其进行结构设

计，是制造TENG电极最有潜力的候选材料之一。但PAA分子链上的羧基基团在水溶

液中电离困难，导致PAA水凝胶的导电性差，限制PAA基水凝胶TENG在柔性可穿戴

领域的应用。基于此，本论文以改善PAA基水凝胶导电性为出发点，通过离子/电子导

电材料掺杂增加离子/电子浓度，提高PAA基水凝胶导电性，并基于该水凝胶构建

TENG，探索TENG在能量收集和人体传感领域的应用。主要研究工作如下：

（1）以丙烯酸（AA）为主体，通过添加聚苯胺（PANI）和具有多羟基结构的山

梨醇分别作为提升水凝胶导电性能和机械性能的填料，制备PAA/山梨醇/PANI（PSA）

电子导电水凝胶。PAA的羧基和山梨醇的羟基与PANI的氨基之间的氢键相互作用增强

水凝胶的机械性能，PANI能增加体系中自由电子的数量，从而提高水凝胶的电导率。

经配比优化后PSA水凝胶的断裂伸长率为598%，拉伸强度为0.05MPa，电导率为50

mS/cm。采用聚四氟乙烯（PTFE）包裹PSA水凝胶，使其保水率达到90%以上，有效

减少水凝胶水分的蒸发。以PSA水凝胶为电极构建的PSA-TENG的开路电压为150V，

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短路电流为6μA，转移电荷为20nC，功率密度为0.6W/m。PSA-TENG能够准确监测

人体运动并产生相应电信号。此外，PSA-TENG可以支持小钟表正常运行，为25个

LED小灯泡供电。

（2）除了电子导电材料之外，离子导电材料可以在水凝胶中电离出可自由移动的

离子，增强PAA基水凝胶的导电性。以AA为主体，以具有多羧基结构的羧甲基纤维

素（CMC）为提升机械性能的填料，氯化钠（NaCl）和六水合氯化铁（FeCl·6HO）

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为导电材料，采用“一锅法”制备PAA/CMC/FeCl·6HO/NaCl（PFC）离子导电水凝

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胶。NaCl和FeCl·6HO的引入能够增加离子浓度，提高水凝胶的电导率。同时，

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FeCl·6HO在溶液中电离出的Fe3+与PAA和CMC分子链上的羧基形成可逆的金属配

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位，提高其机械性能，并赋予其愈合性能。经配比优化后的PFC水凝胶具有900%断裂

伸长率、89%透过率、0.012MPa拉伸强度、85%自愈性能和53mS/cm电导率。采用

PTFE包裹PFC水凝胶，可以使其保水率达到90%以上，有效减少水凝胶水分蒸发。以

PTFE为摩擦层构建的PAA基导电水凝胶TENG（PFC-TENG）的开路电压为200V，

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短路电流为9.8μA，转移电荷为40nC，功率密度为1W/m。此外，PFC-TENG可以支

持小钟表正常运行，为40个LED小灯泡供电，并监测人体关节运动信号。

（3）通过调研，我们进一步设计并制备PAA/NaCl/CMC/六水合氯化铝

（AlCl·6HO）/PANI（PBCP）水凝胶。PANI、NaCl和AlCl·6HO