论文总字数：19470字

摘 要

水凝胶作为一种柔性材料，在柔性器件的应用上有极大的前景。在水凝胶中增加导电组分，使其具有较好的电性能，可用于柔性传感、柔性电容器等领域。但传统的导电水凝胶大多机械性能不足，难以实际应用。

本文通过多重网络增强的方法，以PSPMK作为刚性网络，PAM作为柔性网络，而PANI以半互穿网络的形式作为导电组分，通过两步法制备了SPMK/AM/PANI水凝胶。通过对水凝胶的压缩行为、拉伸断裂行为和拉伸循环行为进行表征，表明PSPMK作为刚性组分，而PANI在力学上表现为柔性组分，获得了同时具有高应变（1000%以上）和高强度（断裂应力大于90kPa）的水凝胶。通过对水凝胶的电化学阻抗谱测试，计算得到直流电导率为0.022S/m，具有良好的导电性。以agar/PAM/DMC为电解质组装电容器，进行恒流充放电测试，表明其具有保持率较高的电容性能，但由于导电部分分流，电容的充放电偏离线性关系。

关键词：水凝胶 多重网络增强 苯胺 导电水凝胶

Design, preparation and performance of high strength conductive hydrogels

Abstract

As a flexible material, hydrogel has great prospects in the application of flexible devices. The conductive component is added to the hydrogel to have better electrical properties, and this hydrogel can be used in the fields of flexible sensing, flexible capacitors and the like. However, most of classic conductive hydrogels are insufficient in mechanical properties and difficult to be practically applied.

In this paper, SPMK/AM/PANI hydrogels were prepared by a two-step method. This hydrogel is enhanced by multiple networks with using PSPMK as a rigid network, PAM as a flexible network and PANI as a conductive component in the form of a semi-interpenetrating network. By characterizing the hydrogel's compression behavior, tensile fracture behavior and tensile cycle behavior, it is shown that PSPMK is a rigid component, while PANI is mechanically a flexible component. And we get a hydrogel high strain (over 1000%), and a high strength (fracture stress greater than 90 kPa). DC conductivity is 0.022 S/m, Through the electrochemical impedance spectroscopy test of the hydrogel, which means this hydrogel has good electrical conductivity. The capacitor was assembled with agar/PAM/DMC as the electrolyte. the constant current charge and discharge test was carried out, which indicated that it had a high retention performance of the capacitor. However, due to the shunting of the conductive portion, the charge and discharge of the capacitor deviated from the linear relationship.

Keyword: hydrogels; conductive hydrogel; multiple networks enhancement; aniline

目 录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 水凝胶 1

1.1.1 概述 1

1.1.2 水凝胶分类 1

1.1.3 水凝胶应用 2

1.2 导电水凝胶 3

1.2.1 导电聚合物 3

1.2.2 导电水凝胶分类 3

1.2.3 导电水凝胶增强方法 4

1.2.4 导电水凝胶的应用 6

1.3 本文的研究目标和研究内容 6

第二章 实验部分 8

2.1 实验原料与仪器 8

2.2 制备过程 9

2.3 表征方法 9

2.3.1 力学性能表征 9

2.3.2 电学性能表征 10

2.3.3 红外光谱表征 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 力学性能 11

3.1.1 SPMK对水凝胶力学性能的影响 11

3.1.2 苯胺对水凝胶力学性能的影响 13

3.2 电学性能 15

3.2.1 阻抗性能 15

3.2.2 电容性能 16

3.3 红外光谱分析 18

第四章 结论与展望 20

参考文献 21

致谢 23

绪论

水凝胶

概述

凝胶是一种Bingham流体，由于其由固相和液相构成，因而兼具固体和液体的部分性质^[1]。聚合物凝胶主要是聚合物溶液由于浓缩或者键接、桥接等作用构成三维网络结构，导致溶剂不能移动而形成。水凝胶是一种绝大部分由水构成的凝胶，其结构主要是亲水基团构成的三维网络结构，因而可以吸收并保留大量的水分。水凝胶良好的亲水性主要在于合成单体内含有羟基、羧基、酰胺以及磺酸等亲水性较好的基团，因而单体基团的性质以及构成网络的差别对水凝胶的水保持能力有较大影响。水凝胶的合成组分主要是引发剂，单体和交联剂，因而通过改变引发剂浓度、单体浓度、反应温度、反应容器、反应时间和交联剂与单体的比例等合成参数，可以调节水凝胶的特性。

水凝胶由于可以吸收大量的水分，同时伴随着柔软以及类似橡胶的弹性^[2]。这些特性导致水凝胶在医学领域有极大的应用，关于水凝胶应用的第一份报告即出自生物医学领域。为解释胶体凝胶，水凝胶这一术语第一次出现。在1936年，第一个合成水凝胶——PHEMA由Nemours得到。到了二十世纪八十年代，水凝胶获得了进一步的发展，许多研究水凝胶的文章被发表，且均带有自己观点的解释。此后，对水凝胶的研究表明水凝胶可用于农业、生物材料、药剂学、生物技术、废水处理等领域。由于观察到水凝胶的变化与环境条件（溶剂组成，温度，pH和电场）的变化有关，而提出“智能水凝胶”这一概念，进而提出用于药物释放系统、生物传感器、人造皮肤等方面的应用。

水凝胶分类

水凝胶可根据其来源、组成、离子电荷、物理结构和交联进行分类。

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