一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料及其制备方法和应用。该水凝胶是将聚乙烯醇，甘油和去离子水严格温控下搅拌充分混合，经过低温处理后，浸泡于饱和氯化钠溶液中获得。其中，低温处理促进了PVA和甘油之间形成大量氢键，饱和氯化钠溶液浸泡处理促进了PVA链之间的缠结，氢键和链缠结两种物理作用相互协同使该水凝胶的机械性能大幅度提升。此外，由于水凝胶中存在的Na

A Polyvinyl Alcohol Ion Hydrogel Sensor Material with High Strength, Toughness and Strain Sensitivity and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料及其制备方法和应用
本专利技术属于智能材料
，具体涉及一种复合水凝胶传感材料及其制备方法和应用，更具体地说，本专利技术涉及一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料及其制备方法和在传感器中的应用。
技术介绍
聚乙烯醇(PVA)是合成的可生物降解聚合物之一，已在商业上大规模生产。聚乙烯醇(PVA)水凝胶因其无毒性和生物相容性而被广泛研究并被认为是最适合生物医学应用的水凝胶之一，例如软组织替代品和可穿戴设备。然而，大多数PVA水凝胶的高负荷能力是不合格的，普遍较低的机械性能限制了PVA水凝胶的广泛应用。离子水凝胶是一种本质上高强度和导电的材料，广泛用于软电子产品中，例如传感器和制动器等。因此本专利技术将PVA水凝胶和离子水凝胶结合起来，设计出一种高强度、韧性和应变敏感的PVA离子水凝胶传感材料，使得该无毒性和生物相容性材料具有作为应变传感器监测人体运动的功能。基于上述理由，提出本申请。
技术实现思路
针对现有技术上述存在的问题或缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料及其制备方法和应用，解决了现有PVA水凝胶传感器强度、韧性和应变敏感性能差等技术问题。为了实现本专利技术的上述其中一个目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：(1)将聚乙烯醇(PVA)加入到由去离子水和甘油(Glycerol)组成的混合溶剂中，然后在90～100℃条件下搅拌，使聚乙烯醇完全溶解，获得PVA-Glycerol混合溶液；(2)将步骤(1)获得的PVA-Glycerol混合溶液转移至模具中，并在-40～0℃条件下冷处理1～24h，冷处理结束后取出，解冻，得到PVA-Glycerol水凝胶；(3)将步骤(2)获得的PVA-Glycerol水凝胶置于饱和的氯化钠(NaCl)溶液中充分浸泡，获得PVA-Glycerol-NaCl离子水凝胶传感材料。进一步地，上述技术方案，步骤(1)所述混合溶剂中去离子水和甘油的质量比为9：1～3：7。进一步地，上述技术方案，步骤(1)所述聚乙烯醇与混合溶剂的质量比为(0.6～6)：(5～50)。进一步地，上述技术方案，步骤(1)所述搅拌时间为1～4h。进一步地，上述技术方案，步骤(1)所述聚乙烯醇优选聚乙烯醇为1797型。进一步地，上述技术方案，步骤(2)所述解冻优选在室温条件下进行，所述解冻时间为1～3h，较优选为2h。进一步地，上述技术方案，步骤(2)所述模具优选为圆柱体模具，所述圆柱体模具高为10～100mm，底面直径为1～10mm。进一步地，上述技术方案，步骤(3)所述浸泡时间不超过4h。本专利技术的第二个目的在于提供采用上述所述方法制备得到的PVA-Glycerol-NaCl离子水凝胶传感材料。本专利技术的第三个目的在于提供上述所述方法制备得到的PVA-Glycerol-NaCl离子水凝胶传感材料的应用，可用于应变传感器。一种可穿戴应变传感器，包括本专利技术上述所述方法制备得到的PVA-Glycerol-NaCl离子水凝胶传感材料。本专利技术还进一步提供了上述所述可穿戴应变传感器的制备方法，具体是用绝缘胶带将导线连接的PVA-Glycerol-NaCl离子水凝胶传感材料固定于人体各个部位即可。本专利技术反应机理如下：本专利技术采用的冷处理工艺促进了聚乙烯醇和甘油之间形成大量相互作用的氢键；饱和氯化钠溶液浸泡处理促进了PVA-Glycerol水凝胶中聚乙烯醇链之间的缠结，氢键和链缠结两种物理作用相互协同使制备的PVA-Glycerol-NaCl离子水凝胶传感材料的机械性能大幅度提升。此外，由于水凝胶中存在的Na+和Cl-离子，因此制备的水凝胶传感器具有高的灵敏系数，将其制备成可穿戴设备能够安全有效的监测人体各部位运动。与现有技术相比，本专利技术涉及的一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料及其制备方法和应用具有如下有益效果：(1)传统的聚乙烯醇水凝胶具有良好的生物相容性而被广泛研究，但其强度普遍较弱，较大程度的限制了其应用。本专利技术首先利用甘油作为物理交联剂，合成一种具有一定强度的聚乙烯醇-甘油水凝胶。再将所得到的聚乙烯醇-甘油水凝胶浸泡到饱和的氯化钠溶液中，得到聚乙烯醇-甘油-氯化钠离子水凝胶。氢键和链缠结两种物理作用相互协同让该水凝胶传感器的机械性能大幅度提升，拉伸强度达到3.1MPa，韧性达到8.65MJ/m3。(2)本专利技术制得的高强度和韧性的PVA离子水凝胶传感器，同时具有高应变敏感系数(GF为1.86)，在大应变和小应变下都能重复多次检测出稳定的电信号，因此可以用于人体各关节的运动监测。(3)本专利技术提供的PVA-Glycerol-NaCl离子水凝胶传感材料合成过程操作简单，易于控制，原料便宜易得。由于本专利技术采用的原材料都具有良好的生物相容性和无毒性，将其制备成可穿戴设备能够安全有效的监测人体各部位运动。(4)本专利技术采用的溶剂水和甘油都是氯化钠的良溶剂，因此在饱和氯化钠溶液浸泡过程中Na+和Cl-离子都能够有效的扩散进水凝胶中，盐析效应促进了水凝胶中的链缠结。附图说明图1中(a)、(b)分别为本专利技术实施例1制备的PVA-Glycerol-NaCl(PGN)水凝胶与对比例1制备的PVA水凝胶、对比例2制备的PVA-Glycerol(PG)水凝胶、对比例3制备的PVA-NaCl(PN)水凝胶的拉伸应力-应变曲线对比图、韧性和弹性模测试结果图。图2中(a)、(b)分别为本专利技术实施例1制备的PVA-Glycerol-NaCl(PGN)高强韧应变敏感水凝胶在不同应变条件下对应的相对电阻变化(△R/R0)曲线图、相对电阻变化(△R/R0)与拉伸应变的线性拟合曲线图。图3中(a)、(b)分别为本专利技术实施例1制备的PVA-Glycerol-NaCl(PGN)高强韧应变敏感水凝胶传感器在重复小应变和大应变下稳定的相对电阻变化曲线图。图4中(a)、(b)分别为本专利技术实施例1制备的PVA-Glycerol-NaCl(PGN)高强韧应变敏感水凝胶用于监测人体手腕运动、膝盖运动时相对电阻变化曲线图。具体实施方式下面通过实施案例对本专利技术作进一步详细说明。本实施案例在以本专利技术技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本专利技术具有创造性，但本专利技术的保护范围不限于以下的实施案例。根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本专利技术的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本专利技术的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本专利技术的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本专利技术实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。实施例1本实施例的一种聚乙烯醇离子PVA-Glycerol-NaCl(PGN)高强韧水凝胶传感材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将2.4g1797型聚乙烯醇(PVA)加入到20g由去离子水和甘油(Glycerol)组成的混合溶剂中，然后在100℃条件下搅拌2.5h，使聚乙烯醇完全溶解，获得PVA-Glycerol混合溶液；其中：所述去离子水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体包括如下步骤：(1)将聚乙烯醇加入到由去离子水和甘油组成的混合溶剂中，然后在90～100℃条件下搅拌，使聚乙烯醇完全溶解，获得PVA‑Glycerol混合溶液；(2)将步骤(1)获得的PVA‑Glycerol混合溶液转移至模具中，并在‑40～0℃条件下冷处理1～24h，冷处理结束后取出，解冻，得到PVA‑Glycerol水凝胶；(3)将步骤(2)获得的PVA‑Glycerol水凝胶置于饱和的氯化钠溶液中充分浸泡，获得PVA‑Glycerol‑NaCl离子水凝胶传感材料。

【技术特征摘要】
1.一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体包括如下步骤：(1)将聚乙烯醇加入到由去离子水和甘油组成的混合溶剂中，然后在90～100℃条件下搅拌，使聚乙烯醇完全溶解，获得PVA-Glycerol混合溶液；(2)将步骤(1)获得的PVA-Glycerol混合溶液转移至模具中，并在-40～0℃条件下冷处理1～24h，冷处理结束后取出，解冻，得到PVA-Glycerol水凝胶；(3)将步骤(2)获得的PVA-Glycerol水凝胶置于饱和的氯化钠溶液中充分浸泡，获得PVA-Glycerol-NaCl离子水凝胶传感材料。2.根据权利要求1所述的高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述混合溶剂中去离子水和甘油的质量比为9：1～3：7。3.根据权利要求1所述的高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述聚乙烯醇与混合溶剂的质量比为(0.6～6)：(5～50)。4.根据权利要求1所述的高强韧和应变敏感的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉红，潘申鑫，孙争光，詹园，何培新，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42