發(fā)布時間：2020-03-23 15:53

【摘要】：國內(nèi)現(xiàn)有的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測無線傳感器能耗大、成本高,因此研制出一種低成本、低能耗的新型傳感器迫在眉睫。這種新型傳感器可以隨環(huán)境變化發(fā)生形變,進而產(chǎn)生機械能,再將機械能轉(zhuǎn)化為電信號,電信號經(jīng)過放大器處理后傳送到處理器端口,從而實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的實時監(jiān)測。高分子水凝膠可以對外界刺激做出機械運動反應(yīng),利用此特點可使水凝膠作為環(huán)境監(jiān)測無線傳感器的驅(qū)動材料。而且高分子水凝膠具有優(yōu)異的可修飾性和類生物組織的保濕性能、彈性及韌性。然而,傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)水凝膠的彈性和韌性都比較差,通常表現(xiàn)出較弱的機械性能,從而限制了水凝膠在各個方面的應(yīng)用。近年來,眾多的科研工作者針對水凝膠的力學(xué)性能設(shè)計開發(fā)了幾種新型高分子水凝膠,水凝膠的力學(xué)性能得到了明顯的改善。但是,大多數(shù)新型高分子水凝膠不具備自修復(fù)和適于農(nóng)田環(huán)境使用的特性。因此,研制出一種兼具高力學(xué)強度、自修復(fù)性能和環(huán)境響應(yīng)特性的農(nóng)田無線傳感器水凝膠具有重要的研究意義。為了使水凝膠更好的適用于農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),本工作分別圍繞提高水凝膠強度和韌性、水凝膠的自修復(fù)性、pH響應(yīng)可控溶脹性、抗菌性及導(dǎo)電性出發(fā),設(shè)計了四部分內(nèi)容:(1)PAA/Agar/PVA三網(wǎng)絡(luò)水凝膠的設(shè)計及其高強度和自修復(fù)性能研究:為了使水凝膠的力學(xué)強度達到傳感器所需的機械強度并兼具自修復(fù)能力,本章提出了一個新的設(shè)計思路,即合成三網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠(TN Gel)。通過聚丙烯酸(PAA)/瓊脂(Agar)/聚乙烯醇(PVA)三種聚合物分步成膠得到這種三網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠。此水凝膠具有優(yōu)異的機械性能和良好的自修復(fù)能力。在TN水凝膠體系中,PAA-Fe~(3+)聚合物以-COO~-和Fe~(3+)的配位作用形成第一層網(wǎng)絡(luò),-COO~-和Fe~(3+)的可逆配位作用還能賦予水凝膠自修復(fù)性,而Agar和PVA通過氫鍵作用形成第二層和第三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而使水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能。實驗發(fā)現(xiàn),通過調(diào)節(jié)Fe~(3+)的含量可以對水凝膠的機械性能進行調(diào)節(jié)。當(dāng)PAA/Agar/PVA三網(wǎng)絡(luò)水凝膠中Fe~(3+)的含量為1.5 wt%時,它的斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率分別可以達到450 kPa和497%,它的壓縮強度在壓縮80%形變的條件下高達1337 kPa。在擁有良好機械性能的基礎(chǔ)上,TN水凝膠兼具有良好的自修復(fù)能力,在不添加任何溶劑或添加劑的情況下,其拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變的自修復(fù)效率分別為72%和84%。(2)pH響應(yīng)PAA-g-QCE/PVA高強度自修復(fù)水凝膠的制備及抗菌性能研究:本章在前一章的基礎(chǔ)上賦予水凝膠抗菌性和pH響應(yīng)性,提高水凝膠在自然環(huán)境中的適應(yīng)能力。這種聚丙烯酸(PAA)/季銨化纖維素(QCE)/聚乙烯醇(PVA)三網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過光引發(fā)聚合和冷凍解凍循環(huán)的方法來制備。在這種水凝膠網(wǎng)絡(luò)體系中,QCE作為抗菌劑,在自然環(huán)境中可以使水凝膠避免微生物的攻擊,從而延長其使用壽命。PVA作為增韌劑,在水凝膠中作為第二層網(wǎng)絡(luò),從而提高水凝膠的力學(xué)強度。同時,在水凝膠中加入Fe~(3+),利用聚丙烯酸的羧基能與Fe~(3+)形成可逆的配位作用從而賦予水凝膠自修復(fù)性。水凝膠中的三種聚合物都是吸水性高分子,不同的pH下水凝膠具有不同的吸水性能,從而產(chǎn)生不同的體積變化,使水凝膠具有很好的pH響應(yīng)性,可以通過改變環(huán)境pH來控制水凝膠的形狀和大小。當(dāng)PVA和QCE含量分別為8 wt%和1.5 wt%時,水凝膠的斷裂應(yīng)變和應(yīng)力分別為465.37%和1.13 MPa,抗菌性高達90%。(3)pH響應(yīng)性PAA/Gela/PVA可控溶脹高強度自修復(fù)三網(wǎng)絡(luò)水凝膠的構(gòu)建:本章著重研究了三網(wǎng)絡(luò)水凝膠的溶脹性能及增韌機理。采用共聚冷卻和凍融一鍋三步法制備了聚丙烯酸(PAA)/明膠(Gela)/聚乙烯醇(PVA)水凝膠。這種新型三網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能,而且具備低的溶脹比及自修復(fù)性能。其優(yōu)異的力學(xué)性能歸因于PVA微晶結(jié)構(gòu)和Gela的三螺旋締合結(jié)構(gòu)。力學(xué)性能表征結(jié)果表明,水凝膠的斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率分別為808 kPa和370%,而當(dāng)變形量為90%時,其壓縮強度可達4443 kPa,壓縮模量可達39 MPa。此外,本章對PAA/Gela/PVA TN水凝膠的增韌機理進行了探究。更重要的是,三網(wǎng)絡(luò)水凝膠的溶脹率低于單網(wǎng)絡(luò)水凝膠和雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠,通過改變?nèi)N聚合物的含量可以調(diào)控水凝膠的溶脹率,即使在強堿性環(huán)境中長時間浸泡也不會破壞TN水凝膠堅固而穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果表明TN水凝膠具有良好的環(huán)境適應(yīng)性,在農(nóng)業(yè)傳感器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。(4)PAA/CMC/PVA高強度導(dǎo)電水凝膠的制備及pH驅(qū)動傳感模擬實驗:本章重點研究水凝膠在pH驅(qū)動傳感模擬實驗的可行性,在前三章的研究基礎(chǔ)上,繼續(xù)合成新型羧甲基纖維素(CMC)/PAA/PVA三網(wǎng)絡(luò)高強度水凝膠,通過測試其力學(xué)性能,考察pH響應(yīng)特性。然后選擇其作為pH驅(qū)動傳感模擬實驗試驗對象。當(dāng)PVA的含量為8 wt%時,此三網(wǎng)絡(luò)水凝膠的斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率分別為357.04 kPa和300.67%,其壓縮強度可達2012.13 kPa,彈性模量為169.05 kPa,機械性能測試數(shù)據(jù)證實了此水凝膠作為傳感器驅(qū)動材料在力學(xué)性能上的可行性。溶脹實驗證明此水凝膠對pH具有很好的響應(yīng)性,在水凝膠中加入NaCl賦予水凝膠導(dǎo)電性能,并且水凝膠具有一定的機械響應(yīng)性。最后對導(dǎo)電水凝膠進行環(huán)境pH監(jiān)測模擬實驗,當(dāng)環(huán)境pH改變,水凝膠會發(fā)生形狀體積的變化,利用體積變化產(chǎn)生的機械能觸發(fā)開關(guān)杠桿,發(fā)射電信號,從而達到對環(huán)境pH的實時監(jiān)測。
【圖文】：

圖 1-1 環(huán)境響應(yīng)水凝膠傳感器的設(shè)計原理Figure 1-1 Design principle of environmental response hydrogel sensor.綜上所述，針對傳統(tǒng)水凝膠力學(xué)性能弱、無環(huán)境響應(yīng)性和無自修復(fù)性等缺點，制備高強度自修復(fù)環(huán)境響應(yīng)性導(dǎo)電水凝膠意義重大，，將制備的水凝膠應(yīng)用于農(nóng)田環(huán)境傳感器中，可以克服我國農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)所存在的一系列弊端。本文的研究目的是利用多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠體系制備高機械性能水凝膠，并在水凝膠體系中加入環(huán)境響應(yīng)因子、自修復(fù)因子、抗菌劑、導(dǎo)電離子等，從而增加水凝膠驅(qū)動材料的環(huán)境適應(yīng)性。并結(jié)合目前我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀以及現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展情況，自主開發(fā)具有低成本、高可靠性的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，有效的提高資源利用率，是保障我國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的根本途徑。1.2 高分子水凝膠概述1.2.1 高分子水凝膠的定義

圖 1-2 高分子水凝膠的分類Figure 1-2 Classifications of hydrogels.高分子水凝膠根據(jù)材料的來源可分為天然和合成水凝膠兩大類。天然高分子(例如纖維素、甲殼素、瓊脂、殼聚糖、明膠、纖維蛋白等)來源豐富并且具有良好的生物相容性[19-23]，但天然高分子的缺點也很明顯，例如：較少的功能性、較差的穩(wěn)定性、易生物降解、較弱的力學(xué)性能等，這些缺點極大的限制了天然高分子水凝膠在實際生活中的應(yīng)用[24-25]。與天然高分子水凝膠相比，合成高分子水凝膠具有更多的功能性，良好的重復(fù)性和力學(xué)性能，但是也存在一些缺陷，比如：降解困難、生物相容性較差等[26]。根據(jù)高分子水凝膠網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)方式的不同，可將水凝膠分為物理交聯(lián)水凝膠和化學(xué)交聯(lián)水凝膠物理交聯(lián)水凝膠主要是通過氫鍵作用[27]、靜電作用[28]、分子鏈的纏結(jié)[29]、主客體相互作用[30]或疏水作用[31]等物理作用形成的網(wǎng)絡(luò)凝膠。在一定條件下，這些物理交聯(lián)的相互作用都是可逆的，此類特性可以賦予水凝膠優(yōu)異的功能性，例如自修復(fù)功能，可塑功能和[32-34]
【學(xué)位授予單位】：石河子大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;S126;TQ427.26

【參考文獻】

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本文編號：2596946