物理交联水凝胶_液态金属柔性应变传感器的制备与性能.pdf

摘要

摘要

柔性应变传感器可以将来自外界刺激的机械信号转换为实时电信号，因而在

人体运动、健康监测、人机界面等领域表现出广泛的应用前景。导电水凝胶因其

制备简单、柔韧性高、自愈能力强等优点得到了广泛的研究。镓基液态金属

（LM）由于其良好的导电性、导热性、流动性、动态可回收性以及生物相容性

而备受关注，将镓基液态金属和水凝胶结合到一起，在保持水凝胶柔韧性的同时，

又使得复合水凝胶具有良好的导电性，而且液态金属在水凝胶网络中并不会产生

应力集中。然而，目前报道的大部分液态金属水凝胶为化学交联凝胶，这严重阻

碍了液态金属的回收再利用。因此，本论文将设计制备可降解回收的物理交联水

凝胶/液态金属复合材料，并研究其作为柔性应变传感器的应用，主要研究如下：

1.通过乙醇调控聚乙烯醇（PVA）和单宁酸（TA）之间的氢键作用，将液态

金属微纳米颗粒引入到了PVA和TA聚合物网络中，成功制备了物理交联的

PVA/TA/LM复合水凝胶。扫描电镜观察发现，液态金属颗粒比较均匀的分散在水

凝胶网络中。力学性能测试表明，随着LM含量不断增加，复合水凝胶的断裂强

度在不断增加，而断裂伸长率在降低；随着TA含量的增加，复合水凝胶的断裂

伸长率呈现先增长后减少的趋势，断裂强度呈现上升的趋势，说明随着TA含量

的增加，更多的TA和PVA产生了氢键作用。电学性能测试表明，液态金属含量

增加后，PVA/TA/LM复合水凝胶的电导率明显上升。PVA/TA/LM复合水凝胶还

具有良好的传感性能，既能检测到微小的应变，也能用于较大应变的场景。更重

要的是，PVA/TA/LM复合水凝胶是完全由物理交联形成的，使用极性较强的有机

溶剂二甲基亚砜（DMSO）可以将其完全溶解，经过清洗、离心之后，利用盐酸

可以将复合水凝胶中的液态金属回收出来，并且回收率达到了68%，实现了液态

金属从制备到回收的闭环操作，符合可持续发展的理念。

2.利用聚多巴胺对液态金属颗粒进行表面改性，并将改性后的液态金属颗粒

引入到聚乙烯醇（PVA）、聚硫辛酸（PTA）和植酸（PA）聚合物网络中，成功制

备了物理交联液态金属复合水凝胶（PTPPL）。PVA能与PTA和PA之间的氢键作

用形成多重交联网络，使得凝胶具有较高的强度，聚多巴胺既提高了液态金属颗

粒分散液的稳定性，又赋予复合水凝胶黏附能力。复合水凝胶的形貌观察表明，

液态金属颗粒均匀的分散在复合水凝胶网络中。力学性能测试发现，液态金属的

引入使得PTPPL复合水凝胶的力学性能有所降低，但复合水凝胶依然具有良好的

力学性能，可以应用在诸多场景。对PTPPL复合水凝胶的导电性能和传感性能测

I

摘要

试发现，复合水凝胶的导电性随着液态金属含量的增加而显著上升，且引入液态

金属后，复合水凝胶的电导率整体较高。更重要的是，PTPPL复合水凝胶同样具

有优异的传感性能，不仅能识别微小的应变，而且也能适用于应变较大的场景，

使得复合水凝胶的使用场景显著增加。

关键词：液态金属；复合水凝胶；柔性电子；柔性应变传感器。

II

Abstract

Abstracts

Flexiblestrainsensorscanconvertmechanicalsignalsfromexternalstimuliinto

real-timeelectricalsignals,andthusshowawiderangeofapplicationprospectsinthe

fieldsofhumanmovement,healthmonitoring,andhuman-machineinterface.

Conductivehydrogels