细菌纤维素_二维纳米材料导电弹性气凝胶的构建与性能.pdf

摘要

近年来，可穿戴电子设备和人机交互蓬勃发展对柔性传感材料的需求不断扩大。导

电弹性气凝胶由于具有导电性、高比表面积、良好的结构稳定性等特点，在柔性传感领

域具有良好的应用潜力。生物质聚合物因成本低、易于获得、生态友好特性而在制造弹

性气凝胶方面具有潜力。作为一种天然生物质，细菌纤维素（BC）具有可大规模生产、

纯度高、结晶度高等优点，是制备气凝胶的优良前驱体。然而，纯BC基气凝胶和碳气

凝胶都存在缺乏结构稳定性和抗疲劳性能的缺点。以石墨烯、MXene、蒙脱土（MMT）

为代表的二维纳米材料具有独特的平面结构，具有超强的机械性能、良好的热力学稳定

性和大比表面积等优点，被广泛用于弹性气凝胶的构建。本论文利用不同的二维纳米材

料，结合细菌纤维素，利用定向冰模板的方法制备具有层状结构、力学性能与传感性能

优异，并可用于压阻传感的弹性气凝胶。

（1）采用TEMPO氧化的细菌纤维素（O-BC）辅助MXene/石墨烯构建稳定的碳

气凝胶骨架，获得了抗疲劳性能与传感性能更优异的MXene/石墨烯/O-BC导电弹性气

凝胶。该工作中，MXene作为高刚度的添加剂有助于获得更好的力学性能和抗疲劳性能，

使获得的碳气凝胶具有优异的弹性和抗疲劳性能。该材料可以承受95%的极高压缩应变

和50%应变下至少10,000次循环的长期压缩，能够实现高线性灵敏度、低检测极限和

快速响应，且可组成柔性可穿戴传感器监测人体的生物信号。

（2）以O-BC为原料，通过定向冰模板铸造方法构建了层状气凝胶骨架，通过加

入高刚度和高导电性的MXene来提高气凝胶骨架的机械强度与导电性，使用甲基三氧

甲基硅烷对气凝胶进行气相沉积来赋予气凝胶骨架疏水性，从而得到优异弹性的气凝胶

O-BC/MXene。该气凝胶具有优异的可压缩性与抗疲劳性，能够对应力/应变信号实现准

确稳定的电响应，具有极宽的应力检测范围（0-40kPa），并能够对人体的生物信号进行

捕捉。

（3）以O-BC、层状蒙脱土为原料，通过定向冰模板的铸造方法构建了层状的气凝

胶骨架，MMT可克服O-BC骨架在高温碳化过程中的过度卷曲，得到的弹性碳气凝胶

具有合理的波浪状弯曲的片层结构，表现出优异的可压缩性和抗疲劳性，一万次循环压

缩（50%应变）后未出现明显的高度下降，应力保留率高达71.5%。O-BC/MMT碳气凝

I

胶同样有着良好的电响应性能，能够准确稳定地对应力、应变、弯曲角度以及人体的生

物信号进行响应。

关键词：细菌纤维素；二维纳米材料；弹性气凝胶；压阻传感

II

ABSTRACT

Inrecentyears,wearableelectronicdevicesandhuman-computerinteractionare

boomingandthedemandforflexiblesensingmaterialsisexpanding.Conductiveelastic

aerogelsareofgreatpotentialinthefieldofflexiblesensingduetotheircharacteristicsof

electricalconductivity,highspecificsurfaceareaandgoodstructuralstability.Biomass

polymershavepotentialinmanufacturingelasticaerogelduetotheirlowcost,easy

availabilityandeco-friendlyproperties.Asakindofnaturalbiomass,bacterialcellulose(BC)

hasthe