可拉伸高灵敏导电高分子水凝胶的构建及应变传感性能研究

Combining the electrochemical performance of conductive polymers with the soft properties of hydrogels, the construction of conductive polymer hydrogels is of great significance to make up for the shortage of conventional rigid strain sensors in wearable applications. In this project conductive suspension of thiophenyl conjugated microporous polymer is firstly prepared by doping polystyrene sulfonic acid with surface modification. Then thiophenyl conjugated microporous polymer: polystyrene sulfonic acid/ chitosan quaternary ammonium salt is designed and prepared by physical and chemical cross-linking method. Finally, an antibacterial, self-adhesive, stretchable, high-sensitive multi-function conductive polymer hydrogel is obtained. Specifically, the hydrogel is prepared by the cross coupling, doping modification, electrostatic assembly and chemical cross-linking. On this basis, the structure, mechanical and strain sensing properties of hydrogel is also characterized. Further, coordinated responses mechanism for improving in the strain sensing properties of conductive network with gel network based on specific structure is discussed and clarified by the theoretical modeling and the experimental results.

结合导电高分子的电化学性能与水凝胶的柔软特性构建导电高分子水凝胶，对于弥补传统刚性应变传感器材料在可穿戴领域应用的不足具有极其重要的研究意义。本项目拟采用噻吩基共轭微孔聚合物与聚苯乙烯磺酸掺杂制备导电悬浮液，再与壳聚糖季铵盐通过物理、化学交联构建导电高分子水凝胶的研究思路，制备抗菌、自粘附、可拉伸、高灵敏的多功能导电高分子水凝胶。具体采用交叉偶联-功能掺杂、静电组装-化学交联技术制备噻吩基共轭微孔聚合物:聚苯乙烯磺酸/壳聚糖季铵盐水凝胶；通过优化设计导电网络与凝胶网络结构、合理选择关键工艺参数有效调控水凝胶的相界面及各自相结构，协同提高应变传感性能；开展噻吩基共轭微孔聚合物:聚苯乙烯磺酸/壳聚糖季铵盐水凝胶力学性能与感知性能的研究，建立其结构与响应性之间的构效关系模型，探明其力电响应机理，为开发具有优异应变传感性能的导电高分子水凝胶及其推广应用提供理论依据和技术保障。

导电水凝胶结合了水凝胶的柔软特性与导电材料的电化学性能，有望弥补传统刚性应变传感器材料在可穿戴领域应用的不足，成为构筑柔性应变传感器件的理想材料。然而，如何在实现高可拉伸性的同时保证线性高灵敏度仍是目前面临的挑战。为获得可拉伸高灵敏的水凝胶基应变传感器，本项目以壳聚糖季铵盐作为聚合物骨架，优化设计导电网络和凝胶网络，通过物理、化学交联构建导电水凝胶，并以水凝胶在应变传感领域的应用需求为牵引揭示导电网络与壳聚糖季铵盐凝胶单、双网络协同作用的力电响应机理。通过本项目的实施，取得了以下创新研究结果：1）采用原位掺杂-热烘成型法构建一系列力学性能好、灵敏度高、信号输出稳定的壳聚糖季铵盐双网络导电高分子水凝胶；2）发展了基于超声修饰-热烘成型和抗冻策略构筑低温敏感、温度-应力双模态传感的壳聚糖季铵盐导电水凝胶的新方法；3）提出引入压电聚合物、采用一锅热成型-溶剂置换法构建复合水凝胶的新思路，揭示了该新型结构导电水凝胶的力电响应机制，为实现高GF因子、响应快、频响范围宽的高性能水凝胶基应变传感器提供了重要的理论和实践支撑。相关研究成果发表高质量学术论文7篇，其中发表ACS Appl. Mater. Interfaces、Macromol. Rapid Commun、Sensors and Actuators: A. Physical等期刊SCI论文5篇；申请国家发明专利6项，其中授权3项；培养青年教师1名、博士研究生1名、硕士研究生4名和本科生1名；参加国内学术会议交流5人次。项目研究成果对于推动导电水凝胶在柔性应变传感器件领域中的应用具有重要意义。