一种PAA类果胶自愈合水凝胶及其电容式传感器的制备方法技术

本发明专利技术属于新材料及传感器技术领域，公开了一种PAA类果胶自愈合水凝胶及其电容式传感器的制备方法，通过以丙烯酸和果胶为基材，加入铁离子形成配位，加热后发生自由基聚合反应生成均一的双层三维网状结构，得到的聚丙烯酸类果胶自愈合水凝胶具有好的机械性能，而且还具有快速自愈合的特性。为了充分利用水凝胶，将其制作成两端为自愈合水凝胶中间介电层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或VHB胶带(3M4920)的三明治结构的电容式压力传感器或电容式应变传感器。本发明专利技术采用PAA类果胶自愈合水凝胶制备电容式传感器的方法操作简单，原料来源广泛，而且具有良好的电化学和机械性能，在柔性储能材料领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种PAA类果胶自愈合水凝胶及其电容式传感器的制备方法
本专利技术属于新材料及传感器
，具体涉及一种PAA类果胶自愈合水凝胶及其电容式传感器的制备方法。
技术介绍
自20世纪40年代以来，水凝胶在仿生、化学、医药等领域的研究从不间断。水凝胶作为一种软湿材料，它是以水为分散介质，具有亲水性而又不溶于水，且能够吸收大量水分，具有交联结构的高分子聚合物。水凝胶具有良好的水渗透性和生物相容性，作为人体植入物可以减少不良反应，水凝胶还与人体诸多活性组织，如人的关节润滑软骨，肌肉组织等有极为相似的性质，从而使得水凝胶成为人工关节最为理想的替代材料，也是开发类人工关节最为理想的替代材料，因而水凝胶作为优良的生物医用材料得到了广泛的应用。近年来，人们对便携式电子设备的要求不断提高，可穿戴电子设备、电子皮肤等柔性器件材料研究的越来越多，而环境友好、性能稳定、使用寿命等特点备受关注。20世纪80年代，科学家受自我修复生物体系的触发而发展的一类能进行自我修复的新型材料，这类自愈合材料有助于提高器件的寿命和安全性。但其高含水量导致较差的机械性能和稳定性限制了凝胶作为承受载荷的软组织替代的应用和发展，因此制备高强度的自愈合水凝胶目前依然存在很大的挑战。传感器是一种常见的却又很重要的器件。新材料等高科技的不断涌现，传感器也呈现出多样化的趋势，如：利用生物材料模拟人类皮肤，创新传感器的触觉；利用MEMS技术研发微型智能化传感器，从而有利于复杂系统的集成；利用高精度的激光技术创造激光雷达，从而利于系统实时感知周边障碍物与环境等。时代发展的同时要求一种传感器具有多种识别功能，而且还需要该材料具有自愈合的能力，这仍是一个艰巨的挑战。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有拉伸强度高、自愈合时间短、自愈合效率高的水凝胶，并且利用自愈合水凝胶制作出电容式压力传感器和电容式应变传感器。本专利技术的设计思路是：利用丙烯酸(AA)为单体，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂，六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)为金属离子络合剂，过硫酸胺(APS)为引发剂，在水溶液中发生聚合反应得到聚丙烯酸，由于聚丙烯酸和果胶中都含有丰富的羧基可以和Fe3+进行配位形成物理和化学交联的双层三维网状结构，使其具有很强的拉伸和自愈合的性质。利用水凝胶的离子导电性，可以形成导电层为自愈合水凝胶、中间介电层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或VHB胶带的“三明治”结构的电容式压力或电容式应变传感器。本专利技术PAA类果胶自愈合水凝胶及其电容式传感器的制备方法如下：(1)将丙烯酸(AA)，果胶(PE)，六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，过硫酸胺(APS)，加入水搅拌30分钟，混合均匀后通氮气30分钟除去溶液中的气体，60℃下反应60分钟，形成PAA类果胶物理和化学交联的双层三维网状结构自愈合水凝胶。(2)聚二甲基硅氧烷(取PDMS)作为中间介电层，上下覆盖面积相同的水凝胶作为导电层，将三者紧密贴合使水凝胶和PDMS层之间不存在气泡，并分别在水凝胶和PDMS之间分别夹上导线作为电信号输出。制备得到上下层为面积相同的自愈合水凝胶、中间层为PDMS的“三明治”结构的电容式压力传感器。也可以将VHB胶带(3M4920)作为中间介电层，导电层为自愈合水凝胶的“三明治”结构的电容式应变传感器；其中，聚二甲基硅氧烷介电层的面积大于水凝胶层的面积，且厚度为0.352mm；VHB胶带(3M4920)介电层的面积大于水凝胶层的面积，且厚度为0.488mm。(3)将步骤(2)中的电容式压力传感器和电容式应变传感器用VHB胶带(3M4910)对器件进行封装。步骤(1)所述的水凝胶在聚合过程中，丙烯酸(AA)和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)在过硫酸胺(APS)引发下发生聚合反应生成聚丙烯酸，在六水合氯化铁(FeCl3.6H2O)的作用下，聚丙烯酸和果胶(PE)与Fe3+之间发生络合反应，形成一种物理和化学交联的双层三维网状结构自愈合水凝胶。步骤(1)所述果胶的用量为丙烯酸质量的1.55～15.5％，MBAA用量为丙烯酸质量的0.2％，APS用量为丙烯酸质量的2％，FeCl3·6H2O用量为丙烯酸物质的量的0～2.5％。优选为：当果胶的用量为丙烯酸质量的6.2％，MBAA用量为丙烯酸质量的0.2％，APS用量为丙烯酸质量的2％，FeCl3·6H2O用量为丙烯酸物质的量的1.25％，能够制备自愈合速度较快，断裂伸长率最大的水凝胶。步骤(1)所述果胶中含有65％的半乳糖醛酸和34％的甲基化半乳糖醛酸，为食品级低脂果胶。步骤(2)所述的PDMS层的制作具体方法为：将PDMS按照质量比例:10:1(美国道康宁Sylgard184硅橡胶是由液体组分组成的双组份套件，密度为1.04g/ml)混合均匀得到的混合物，然后脱气除去气泡，将未固化的混合物倒入聚四氟乙烯模具中，在80℃下加热1个小时后，可形成10mm×20mm和0.352mm厚度的PDMS膜。步骤(2)所述的VHB(3M4920)层的尺寸为20mm×40mm×0.488mm。步骤(3)所述的两种“三明治”结构的电容式传感器在制作完成之后，为了防止水凝胶失去水分，利用VHB(3M4910)胶带对传感器进行封装处理。步骤(1)制得的自愈合水凝胶0.5小时内断裂伸长率恢复到195％，自愈合效率为16.0％，1h后断裂伸长率恢复到544％，自愈合效率为53.0％，1.5小时后断裂伸长率恢复到964％，自愈合效率为79.3％，2小时后断裂伸长率恢复到1148％，自愈合效率为94.4％。有益效果：与现有技术相比，本专利技术主要体现在操作简单，工艺条件温和，生产成本低，原料价格低。本专利技术方法采用对人体友好的果胶，并且增加了与丙烯酸间的三维网状结构的交联程度，增强了水凝胶的拉伸强度，缩短了自愈合时间。该方法得到的水凝胶的断裂伸长率最高达到1216％，最大应力为67.8kPa；自愈合恢复时间最快为2小时，自愈合效率为94.4％；12次循环之后性能仍然保持稳定。本专利技术制作的水凝胶“三明治”结构的电容式压力传感器和电容式应变传感器，不仅具有高的分辨率、性能稳定，而且还具有自愈合能力。附图说明图1为根据实施例1，2制备的水凝胶的红外光谱图。图2为根据实施例2制备的不同果胶浓度水凝胶的SEM图，(a)果胶浓度为1.5wt％，(b)果胶浓度为3.1wt％，(c)果胶浓度为6.2wt％。图3为根据实施例1制备的不同比例Fe3+水凝胶的应力-应变曲线图。图4为根据实施例2制备的不同果胶浓度的水凝胶应力-应变曲线图。图5为根据实施例2制备的PAA-PE/Fe3+水凝胶的连续循环拉伸应力-应变曲线图。图6为根据实施例2制备的PAA-PE/Fe3+水凝胶在休息不同时间后的循环拉伸应力-应变曲线图。图7为根据实施例2制备的PAA-PE/Fe3+水凝胶在愈合前后水凝胶的照片，(a)切断分为俩部分(b)愈合后的水凝胶(c)愈合后水凝胶能够拉伸。图8为根据实施例2制备的PAA-PE/Fe3+水凝胶自愈合拉伸应力-应变曲线图。图9为根据实施例3制备的电容式压力传感器在不同压力下的电容与时间的曲线图。图10为根据实施例3制备的电容式压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PAA类果胶自愈合水凝胶制备电容式传感器的方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：(1)将丙烯酸(AA)，果胶(PE)，N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，六水和氯化铁(FeCl3·6H2O)和过硫酸胺(APS)混合，加入水搅拌30分钟，充分溶解后，通氮气30分钟除去溶液中的气体，60℃下进行聚合反应60分钟，得到聚丙烯酸和果胶自愈合水凝胶；(2)制作成两端为自愈合水凝胶中间介电层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的“三明治”结构的电容式压力传感器或以VHB胶带(3M 4920)作为中间介电层，两端为自愈合水凝胶的“三明治”结构的电容式应变传感器；(3)最后用VHB胶带(3M 4910)对传感器进行封装处理。

【技术特征摘要】
1.一种PAA类果胶自愈合水凝胶制备电容式传感器的方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：(1)将丙烯酸(AA)，果胶(PE)，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，六水和氯化铁(FeCl3·6H2O)和过硫酸胺(APS)混合，加入水搅拌30分钟，充分溶解后，通氮气30分钟除去溶液中的气体，60℃下进行聚合反应60分钟，得到聚丙烯酸和果胶自愈合水凝胶；(2)制作成两端为自愈合水凝胶中间介电层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的“三明治”结构的电容式压力传感器或以VHB胶带(3M4920)作为中间介电层，两端为自愈合水凝胶的“三明治”结构的电容式应变传感器；(3)最后用VHB胶带(3M4910)对传感器进行封装处理。2.如权利要求1所述的PAA类果胶自愈合水凝胶制备电容式传感器的方法，其特征在于：步骤(1)所述果胶为食品级低脂果胶，其中，含有65％的半乳糖醛酸和34％的甲基化半乳糖醛酸。3.如权利要求1所述的PAA类果胶自愈合水凝胶制备电容式传感器的方法，其特征在于：步骤(1)所述果胶的用量为丙烯酸质量的1.55％～15.5％，MBAA用量为丙烯酸质量的0.2％，APS用量为丙烯酸质量的2％，六水和氯化铁(FeCl3·6H2O)用量为丙烯酸物质的量的0～2.5％。4.如权利要求1所述的PAA类果胶自愈合水凝胶制备电容式传感器的方法，其特征在于：步骤(1)制得的自愈合水凝胶0.5小时内断裂伸长率恢复到195％，自愈合效率为16.0％，1h后断裂伸长率恢复到544％，自愈合效率为53.0％，1.5小时后断裂伸长率恢复到964％，自愈合效率为79.3％，2小时...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建宁，戴胜平，袁宁一，
申请(专利权)人：常州大学，江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32