羧基化填料对聚乙烯醇/纳米纤维素水凝胶力学、导电和传感性能的影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.06.004

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (6): 16-23.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.06.004

羧基化填料对聚乙烯醇/纳米纤维素水凝胶力学、导电和传感性能的影响

刘伟¹, 吴显¹, 陈小澄¹, 成晓琼², 张纯¹()

^1.贵州理工学院，材料与能源工程学院，贵阳 550003
^2.贵州师范大学，材料与建筑工程学院，贵阳 550028

收稿日期:2022-01-03 出版日期:2022-06-26 发布日期:2022-06-27
通讯作者: 张纯，主要从事聚合物结构与性能的研究，zhangchun925@126.com
E-mail:zhangchun925@126.com
基金资助:
贵州省自然科学基金资助项目（黔科合基础?ZK［2022］一般179）;贵州省科研机构服务企业行动计划(黔科服企［2018］4010号);贵州理工学院博士启动经费(XJGC20190657)

Effect of carboxylate fillers on mechanical， conductive， and sensing performance of PVA/CNF hydrogel

LIU Wei¹, WU Xian¹, CHEN Xiaocheng¹, CHENG Xiaoqiong², ZHANG Chun¹()

^1.School of Materials and Energy Engineering，Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，China
^2.School of Materials and Construction，Guizhou Norm University，Guiyang 550028，China

Received:2022-01-03 Online:2022-06-26 Published:2022-06-27
Contact: ZHANG Chun E-mail:zhangchun925@126.com

摘要/Abstract

摘要：

利用羧基化碳纳米管（CNT）和纳米纤维素微晶（CNC）与聚乙烯醇/纳米纤维素（PVA/CNF）中形成氢键构建致密的交联网络，并对水凝胶进行增强改性。结果表明，加入3 %（质量分数，下同）的CNT可以使水凝胶的拉伸强度由50 kPa提高至120 kPa，而加入3 %的CNC能够同时提高水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率；加入CNT后能够在水凝胶中构建导电逾渗网络，结合溶剂中的离子导电使得水凝胶的电阻率显著下降；使用PVA/CNF?CNT3水凝胶制作应变传感器，能够实现拉伸、压缩和弯曲等多种应变的快速、准确传感响应。

关键词: 聚乙烯醇, 水凝胶, 传感器, 离子导电, 高强度

Abstract:

In this work， carboxylate carbon nanotubes （CNTs） and cellulose nanocrystals （CNC） were used to induce a dense crosslinking structure and act as reinforcement agents in poly（vinyl alcohol）（PVA）/cellulose nanofibers composite hydrogels. The results indicated that the tensile strength of the composite hydrogels increased from 50 kPa to 120 kPa with the addition of 3 wt % CNTs， whereas， their tensile strength and elongation at break both increased with the addition of 3 wt % CNC. Meanwhile， the electrical resistance of the composite hydrogels decreased significantly in the presence of CNT due to the formation of a conductive percolation threshold and ionic conductive paths. Therefore， the composite hydrogel with 3 wt % CNT can be selected as a sensing material. The hydrogels designed in this study exhibit a rapid and accurate sensing response to various stresses in tension， compression and bending.

Key words: poly（vinyl alcohol）, hydrogel, sensor, ironic conductive, high strength

中图分类号:

TQ320

刘伟, 吴显, 陈小澄, 成晓琼, 张纯. 羧基化填料对聚乙烯醇/纳米纤维素水凝胶力学、导电和传感性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 16-23.

LIU Wei, WU Xian, CHEN Xiaocheng, CHENG Xiaoqiong, ZHANG Chun. Effect of carboxylate fillers on mechanical， conductive， and sensing performance of PVA/CNF hydrogel[J]. China Plastics, 2022, 36(6): 16-23.

图/表 9

图1 PVA水凝胶对比照片

Fig.1 Photos of different PVA hydrogels

图2 PVA水凝胶在不同放大倍率下的SEM照片

Fig.2 SEM photos of different PVA hydrogels

图3 水凝胶透光照片和不同水凝胶的可见透过率光谱

Fig.3 Hydrogel photos and transmittance spectrums of different hydrogels

图4 不同CNT和CNC含量的PVA/CNF水凝胶的表面接触角

Fig.4 The water contact angle of PVA/CNF hydrogels with different CNT and CNC contents

图5 不同CNT和CNC含量的PVA/CNF水凝胶的拉伸应力?应变曲线

Fig.5 The tensile stress?strain curves of PVA/CNF hydrogels with different CNT and CNC contents

图6 不同PVA/CNF复合水凝胶的10次循环压缩应力?应变曲线

Fig.6 10?times cyclic compressive stress?strain curves of different PVA/CNF hydrogels

图7 PVA/CNF水凝胶在提拉重物和拉伸时的照片

Fig.7 Photos of PVA/CNF hydrogels while lifting weight and being stretched

图8 水凝胶的电阻率与浸泡时间关系

Fig.8 The relationship of electro resistance and soaking time

图9 PVA/CNF?CNT3水凝胶的应力响应现象与运动实时监控

Fig.9 The stress response and real?time monitoring of human motions of the PVA/CNF?CNT3 hydrogel

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羧基化填料对聚乙烯醇/纳米纤维素水凝胶力学、导电和传感性能的影响

Effect of carboxylate fillers on mechanical， conductive， and sensing performance of PVA/CNF hydrogel

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