一种高弹性水凝胶传感器及其制备方法

1.本发明涉及一种传感器的制备方法，具体涉及一种高弹性水凝胶传感器及其制备方法。


背景技术：

2.传统的传感器只能感知微小的形变，无法满足弯曲、折叠、扭曲和拉伸等大机械变形要求。水凝胶传感器具有良好的柔韧性、延展性以及生物相容性，可以克服由金属或者半导体材料制备的传统传感器固有的刚性。因此，水凝胶传感器在远程健康监测、身体运动跟踪、电子皮肤、可穿戴电子设备、软体机器人等领域具有广泛的应用前景。
3.但是，现有水凝胶的力学性能较差，在低应变下就会断裂，不能自行修复、回弹。制备具有良好力学性能的水凝胶具有重要意义。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种力学性能优异的高弹性水凝胶传感器的制备方法。
5.本发明所采取的技术方案为：
6.一种高弹性水凝胶传感器的制备方法，包括如下步骤：
7.步骤1、将第一单体加入到水中，在45℃～55℃的条件下搅拌均匀，获得溶液a；
8.步骤2、将导电填料加入到溶液a中，常温下混合均匀，获得溶液b；
9.步骤3、将第二单体加入到溶液b中，常温下混合均匀，获得溶液c；
10.步骤4、将引发剂、交联剂和催化剂加入到溶液c中，常温下混合均匀，获得溶液d；
11.步骤5、将溶液d倒入密封模具中，放入35℃～65℃烘箱中保温固化3h～6h，即获得高弹性水凝胶传感器。
12.进一步地：令第一单体、第二单体、导电填料、引发剂、交联剂和催化剂的总质量为m，则：第一单体质量占m的5％～20％，第二单体质量占m的56.8％～91.35％，导电填料质量占m的0.1％～5％，引发剂质量占m的0.5％～2％，交联剂质量占m的0.05％～0.2％，催化剂质量占m的3％～16％。
13.进一步地，在所述溶液d中，水的质量百分比为75％～95％。
14.进一步地，所述第一单体为海藻酸钠、壳聚糖、明胶(gelatin)、卡拉胶和卡德兰胶中的一种。
15.进一步地，所述第二单体为丙烯酰胺、丙烯酸、异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺甲基丙磺酸中的一种。
16.进一步地，所述导电填料为氯化锂、氯化钙、三氯化铁、二氯化铁、氯化钠、硫酸钠、氯化铝、聚吡咯、聚苯胺、液态金属、碳黑、石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管中的至少一种。
17.进一步地，所述引发剂为过硫酸铵和过硫酸钾中的一种。
18.进一步地，所述交联剂为亚甲基双丙基酰胺、聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯和甲基丙
烯酸十六烷基酯中的一种。
19.进一步地，所述催化剂为四甲基乙二胺和十六烷基三甲基溴化铵中的一种。
20.与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
21.1、本发明的水凝胶传感器在制备时，第一单体和第二单体分别以物理交联和化学交联两种方式进行交联，物理交联形成第一网络、化学交联形成第二网络，且两种网络结构互穿，起到良好的协同作用。单独的化学交联结构强度较好，但受力破坏后不能自行修复；单独的物理交联结构弹性好，受力破坏后可自行修复。本发明以两种结构相辅相成，获得了具有互穿结构的双网络高弹性水凝胶。
22.2、本发明获得了力学性能良好的水凝胶，尤其是其弹性性能。在受到外力冲击变形后，当外力撤销后其形变能迅速复原，经过20次的重复压缩后应力的衰减≤25％。
23.3、本发明的水凝胶传感器能够迅速、准确地感知力的大小以及形状和位置，响应时间为5s～10s。
24.4、本发明的水凝胶在制备时加入了无机盐作为导电填料，无机盐可以有效地防止水凝胶传感器水分的流失，进一步扩大了其应用范围和应用条件。
25.5、本发明水凝胶的制备过程简单，易于大范围推广。
附图说明
26.图1为实施例1所制备的高弹性水凝胶传感器重复压缩20次的应力应变图；
27.图2为实施例1所制备的高弹性水凝胶传感器对力的大小、形状、位置的响应。
具体实施方式
28.为了进一步说明本发明的特征和优点，下面对本发明的实施例做详细描述，下述实施例只是本发明的一部分，本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
29.下述实施例中所用试剂、材料等如无特殊说明，均可从商业途径获得。
30.实施例1
31.本实施例按如下步骤制备高弹性水凝胶传感器：
32.(1)将20g的gelatin加入到400ml去离子水中，50℃搅拌30min，获得溶液a。
33.(2)将4.8g液态镓铟锡金属和0.2g短壁碳纳米管加入到溶液a中，先使用超声震荡5min，再常温搅拌混合30min，获得溶液b。
34.(3)将56.8g异丙基丙烯酰胺加入到溶液b中，常温下搅拌均匀，获得溶液c。
35.(4)将16g四甲基乙二胺、0.2g亚甲基双丙基酰胺和2g过硫酸钾依次加入到溶液c中并常温下搅拌均匀，获得溶液d。
36.(5)将溶液d倒入密封模具中，放入60℃烘箱中保温固化5h后取出，自然冷却到室温，即获得高弹性水凝胶传感器。
37.图1为本实施例所制备的高弹性水凝胶传感器重复压缩20次的应力应变图，从图中可以看出当压力撤销后，水凝胶迅速回弹。
38.图2的右边是本实施例制备的20cm*20cm的水凝胶传感器，左边是收集数据并成像的电脑。提前将长和宽分别为20cm硅胶模具制备好，并在模具中预埋16个电极。将制备得到的溶液d倒入硅胶模具中，使用保鲜膜对溶液进行密封，放入烘箱中进行固化，得到水凝胶
传感器。从图2中可以看出，使用塑料圆柱对传感器进行按压，就可以清晰地成像。
39.实施例2
40.本实施例按如下步骤制备高弹性水凝胶传感器：
41.(1)将5g的gelatin加入到400ml去离子水中，50℃搅拌30min，获得溶液a。
42.(2)将0.1g三氯化铁加入加入到溶液a中，常温下搅拌20min，获得溶液b。
43.(3)将91.35g丙烯酰胺加入到溶液b中，常温下搅拌均匀，获得溶液c。
44.(4)将3g四甲基乙二胺、0.05g亚甲基双丙基酰胺和0.5g过硫酸钾依次加入到溶液c中并常温下搅拌均匀，获得溶液d。
45.(5)将溶液d倒入密封模具中，放入60℃烘箱中保温固化5h后取出，自然冷却到室温，即获得高弹性水凝胶传感器。
46.经测试，本实施例所得水凝胶具有良好的力学性能，尤其是弹性性能。
47.实施例3
48.本实施例按如下步骤制备高弹性水凝胶传感器：
49.(1)将8.42g的海藻酸钠加入到400ml的去离子水中，45℃的条件下搅拌20min，获得溶液a。
50.(2)将1.754g三氯化铁和0.35g氧化石墨烯加入到溶液a中，先使用超声震荡5min，再常温下搅拌混合30min，获得溶液b。
51.(3)将23.9128g丙烯酸加入到到溶液b中，常温下搅拌均匀，获得溶液c。
52.(4)将6.736g十六烷基三甲基溴化铵、0.0842g亚甲基双丙基酰胺和0.842g过硫酸铵依次加入到溶液c中并常温下搅拌均匀，获得溶液d。
53.(5)将溶液d倒入密封模具中，放入55℃烘箱中保温固化4h后取出，自然冷却到室温，即获得高弹性水凝胶传感器。
54.经测试，本实施例所得水凝胶具有良好的力学性能，尤其是弹性性能。
55.以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高弹性水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将第一单体加入到水中，在45℃～55℃的条件下搅拌均匀，获得溶液a；步骤2、将导电填料加入到溶液a中，常温下混合均匀，获得溶液b；步骤3、将第二单体加入到溶液b中，常温下混合均匀，获得溶液c；步骤4、将引发剂、交联剂和催化剂加入到溶液c中，常温下混合均匀，获得溶液d；步骤5、将溶液d倒入密封模具中，放入35℃～65℃烘箱中保温固化3h～6h，即获得高弹性水凝胶传感器。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：令第一单体、第二单体、导电填料、引发剂、交联剂和催化剂的总质量为m，则：第一单体质量占m的5％～20％，第二单体质量占m的56.8％～91.35％，导电填料质量占m的0.1％～5％，引发剂质量占m的0.5％～2％，交联剂质量占m的0.05％～0.2％，催化剂质量占m的3％～16％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在所述溶液d中，水的质量百分比为75％～95％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一单体为海藻酸钠、壳聚糖、明胶、卡拉胶和卡德兰胶中的一种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二单体为丙烯酰胺、丙烯酸、异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺甲基丙磺酸中的一种。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述导电填料为氯化锂、氯化钙、三氯化铁、二氯化铁、氯化钠、硫酸钠、氯化铝、聚吡咯、聚苯胺、液态金属、碳黑、石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管中的至少一种。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵和过硫酸钾中的一种。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述交联剂为亚甲基双丙基酰胺、聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸十六烷基酯中的一种。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂为四甲基乙二胺和十六烷基三甲基溴化铵中的一种。10.一种权利要求1～9中任意一项所述制备方法所获得的高弹性水凝胶传感器。

技术总结
本发明公开了一种高弹性水凝胶传感器及其制备方法，是先将第一单体与导电填料混合均匀后，再依次加入第二单体、引发剂、交联剂和催化剂并混合均匀，然后倒入模具中固化成形，从而获得。本发明采用一步法制备得到了具有互穿结构的双网络水凝胶传感器，其不仅具有高弹性，而且能够准确有效地感知力的大小以及形状和位置。和位置。


技术研发人员：耿加露 陈皓枫 王晓杰 杨轩轩
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2022/3/8