| 题名 | 仿生取向结构水凝胶的制备与力学性能研究 |
| 作者 | 孙乾坤 |
| 答辩日期 | 2020-06-01 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 周峰 |
| 关键词 | 水凝胶,仿生,取向,高强度,结构化 |
| 学位名称 | 理学硕士 |
| 学位专业 | 物理化学 |
| 英文摘要 | 本文综述了仿生结构化水凝胶的研究进展，详细介绍了不同类型的高强度水凝胶以及几种仿生水凝胶在不同领域的制备策略。针对水凝胶力学强度低，结构单一的问题，提出了一种高强度各向异性水凝胶的制备方法，受自然界的启发，设计了一种仿生肌肉纤维结构的水凝胶，进一步提高水凝胶的力学性能，之后又对水凝胶的宏观结构进行改变，设计了仿生皮肤的层状水凝胶传感器。本论文主要内容与结论如下： （1）高强度各向异性水凝胶的制备及力学性能研究：生物体中的许多天然组织（肌肉，腱，韧带和关节软骨）都具有各向异性的结构特征。由于水凝胶具有富含水的柔软结构，导致其成为了生物软组织的理想的替代材料。然而，与天然软组织相比，通过传统方法合成的水凝胶通常表现出各向同性的结构特征。当前，已经开发出各向异性水凝胶来解决这个问题，但是其机械性能上仍有改进的空间。我们采用一种简单的方法来制备具有典型各向异性机械性能的聚丙烯酰胺-壳聚糖（PAM-CS）复合水凝胶。各向异性的PAM-CS水凝胶通过预拉伸进行工程设计，并通过在空气中成功干燥并随后浸入NaOH溶液中形成壳聚糖微晶而固定。通过光学显微镜和场发射扫描电子显微镜的观察证明了各向异性网络的特征。同时，通过控制PAM-CS水凝胶的预拉伸应变，浸泡时间和质量浓度，可以很好地调节各向异性PAM-CS水凝胶沿平行和垂直方向的机械强度。最后，我们的各向异性水凝胶显示出高拉伸强度（12.5 MPa），超高韧性（23 MJ m-3）、高含水量（〜75％）以及导电性，这意味着其在功能性软材料的设计上具有重要应用。 （2）仿生皮肤层状水凝胶传感器的制备与性能研究：人类皮肤具有柔软、可感受外界环境微妙的变化差异等特性，这激发了人们对人造皮肤材料的研究，特别是可穿戴传感器和电子皮肤等领域的研究。由于水凝胶的“软湿”特性，通常用作仿生材料。但是其力学性能不高，结构单一，这就限制了其应用。受皮肤层状结构的启发，我们设计了一种层状结构水凝胶。首先通过加热聚合和紫外聚合相结合的方法制备了具有高强度的支撑层和可以发生吸盐溶胀的传感层的层状水凝胶，然后通过扫描电镜图表征出水凝胶具有明显的层状结构，层层之间结合紧密；之后，对PSBMA水凝胶、P(AAc-AM)+ Fe3+水凝胶和层状水凝胶三种凝胶进行了力学性能表征，发现层状水凝胶具有良好的力学性能，该水凝胶中的层状结构为其应用提供了更多的应用空间，可有效利用上下层结构与功能的差异提升材料性能；此外，我们还对浸泡不同时间、不同NaCl溶液浓度的水凝胶进行电学性能测试，结果表明该凝胶对盐会产生相应的电信号，固定NaCl溶液浓度，浸泡时间越长，电导率越大，电阻越小；浸泡时间一样时，NaCl溶液的浓度越高，电导率就越大，电阻就会越小。这为仿生皮肤传感器的应用提供了基础。 关键词：水凝胶，仿生，取向，高强度，结构化 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/27332]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孙乾坤. 仿生取向结构水凝胶的制备与力学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
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