PVA_MXene_LS水凝胶的设计、制备及柔性传感应用研究.pdf

摘要

科技的发展和柔性电子设备的涌现推动了人们对应变传感器的需求。柔性应变传感器的

出现解决了传统刚性材料的缺陷，使应变传感器更加适应不同的形状和表面，具有更好的可

穿戴性和舒适性，尤其适用于曲面或动态环境下的传感任务。柔性应变传感器因其成本低、

便携性好、易于制备等特点，逐渐受到大众的青睐。水凝胶作为柔性材料之一，具有制备简

单、柔韧性好等优点，可以满足柔性应变传感器对材料的要求。通过打印技术，可以制备出

具有复杂图案的可拉伸水凝胶器件，满足个性化需求。针对水凝胶存在的易失水、抗冻性能

不足、灵敏度偏低等局限性，本论文制备了多功能的P/M/L水凝胶，引入超吸水性盐LiTFSI

和高电导率、高光热转换效率的MXene纳米片，提高了其长效稳定性与传感、光热性能。同

时，打印制备的水凝胶可以在毫米乃至微米尺度上构建复杂的多层次内部结构，提高器件的

性能和功能。本论文主要研究了P/M/L水凝胶在柔性应变传感器、光热领域的应用，并探究

了结构设计对应变传感器性能的影响。具体内容如下：

PVA

针对传统的聚乙烯醇（）水凝胶机械强度较低、环境稳定性较差、功能单一等问题。

我们制备了多功能的P/M/L水凝胶，MXene纳米片表面丰富的官能团与PVA分子存在氢键

作用，提高了水凝胶的机械强度。P/M/L水凝胶的最大断裂应变可以达到957%，给定人体运

动的最大应变（约为55%），水凝胶可以满足可穿戴电子产品的机械要求。通过添加强吸水

性盐LiTFSI作为抗冻保湿剂，改善了水凝胶的环境稳定性。与传统的甘油置换法相比，锂离

子盐类自身的电荷属性使得水凝胶电导率损失较少，阴、阳离子与水分子形成强氢键破坏了

水凝胶中水分子之间的氢键，使其具有优异的抗脱水和抗冻效果。相较于目前已经开发的水

凝胶，P/M/L水凝胶具有较好的环境稳定性，在室温下存储200天后依然保持柔性。该水凝

o

-80C24h

胶还具有较强的抗冻性能，在极低温度条件（，）下，展现出了优异的冻结耐受性、

机械柔韧性和可延展性。此外，通过引入具有优异电导率和卓越光热特性的MXene纳米片作

为填料，满足了水凝胶在传感以及光热理疗方面的多功能应用。归因于MXene纳米片优异的

P/M/LGF3.74

电导率，水凝胶作为导电水凝胶柔性应变传感器，表现出了较高的灵敏度（≈）、

1%-100%50

较宽的检测范围（应变）和较好的传感稳定性（个循环的稳定信号输出）。基于

此，我们制备了P/M/L水凝胶传感器用于人体运动监测。归因于MXene纳米片卓越的光热效

应，P/M/L水凝胶在808nm的近红外光照射下表现出快速的光热响应能力和优异的光热稳定

oo

23C-130C

性，并且具有可控的表面温度调节能力（）。基于此，我们将水凝胶贴附于人体，

进行了光热理疗应用。

针对制备高分辨率的复杂微纳结构水凝胶困难、传统模板法制备水凝胶无法实现复杂形

I

状构筑、模板的制备成本高、水凝胶难以从模板中取出等问题，我们将打印作为制备水凝胶

传感器件的方法，在微米尺度上建立分层和多级内部结构的水凝胶传感器。首先，我们测试

了打印墨水的流变性能（剪切变稀、触变性），确定了其打印可行性，并且探究了水凝胶墨

水的最佳打印参数，成功打印了具有微米尺度的传感器件。打印出的传感器件具备实时响应、

1596.7%1

传感性能稳定（个循环最大拉伸应力为初始值的