可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器，通过一步溶胶‑凝胶法制备得到具有高拉伸性的自愈合水凝胶，利用粘性胶带封装后得到多功能柔性应变传感器。该水凝胶基柔性应变传感器具有高敏感度因子，可用于拉伸应变、压缩应力的检测；其高可拉伸性和低滞后行为，可以实现微小和剧烈的人体运动的实时检测。同时，水凝胶内独特的配位键和氢键相互作用，使其自愈合时间短、自愈合效率高，解决了柔性传感器实际应用中存在的破损、拉断后不能恢复的难题。本发明专利技术设计的柔性器件制备过程工艺简单，省时省力，性能优异，可广泛应用于实时健康监测、柔性机器人、临床诊断、柔性电子皮肤和智能家居等领域。

Stretchable self-healing hydrogel flexible strain sensor and preparation method thereof

The invention discloses a stretchable self-healing hydrogel flexible strain sensor, which is prepared by a one-step sol gel process to obtain a high tensile self healing hydrogel, and a multifunctional flexible strain sensor is obtained by encapsulating the adhesive tape. The hydrogel-based flexible strain sensor has a high sensitivity factor and can be used to detect tensile strain and compressive stress. Its high tensibility and low hysteresis can realize real-time detection of small and intense human motion. At the same time, the unique interaction between coordination bond and hydrogen bond in hydrogel makes the self-healing time shorter and the self-healing efficiency higher, which solves the problem that the flexible sensor can not be recovered after breaking in practical application. The flexible device designed by the invention has the advantages of simple preparation process, time-saving and labor-saving, excellent performance, and can be widely used in real-time health monitoring, flexible robots, clinical diagnosis, flexible electronic skin, smart home and other fields.

【技术实现步骤摘要】
可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器及其制备方法，以及该柔性应变传感器在拉伸应变、压缩应力以及外力频率的检测中的应用，具体为在实时健康监测、临床理疗、自愈合器件、柔性机器人、电子皮肤等众多领域的应用。
技术介绍
近年来，物联网、人机互动、人工智能等行业迅速发展，使得柔性可穿戴器件的基础研究和应用市场不断扩大。柔性应变传感器因其制备成本低廉、传导机理简单、可大规模批量生产等优点，逐步成为柔性可穿戴产品的佼佼者。通常情况下，基于金属半导体的柔性应变传感器虽然敏感度因子较高，但可拉伸性较低，在受到外力破坏作用下容易发生断裂，导致传感失灵，这极大地限制了其在实际生活中的应用。同时，基于传统金属半导体传感器的制备过程通常是将压电活性层和介电基底层通过浸涂、蒸镀、转移、抽滤、成模等方法组装起来，该过程费时费力、代价高昂，难以批量化生产。除此之外，传统柔性传感器普遍存在工作温度区间窄、在低温条件下容易发生脆性断裂等问题，能在低温条件下稳定工作的柔性传感器鲜有报道。因此开发高可拉伸性、自愈合、抗冻水凝胶基传感器迫在眉睫。应用于柔性应变传感器的活性压电材料主要包括：石墨烯，碳纳米管，银纳米线，聚苯胺，有机材料等。相比于其他活性材料，碳纳米管可大幅提升器件的可拉伸性，同时在拉伸过程中能够有效保持逾渗网络不被破坏，在很大的范围内保证传感性能，但其功能化改性较难。聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸具有高水溶性，无需功能化改性即可在水溶液中稳定存在，已经被广泛应用于有机发光二极管、有机太阳能电池、有机薄膜晶体管等领域。目前报道的水凝胶基柔性传感器普遍存在可拉伸率低、抗压能力弱等问题，这使其很难在剧烈人体运动(胳膊肘拉伸、膝盖下蹲-起身)的检测中应用。自愈合水凝胶基传感器通常自愈合效率低、自愈合时间长、愈合后拉伸性低，同时其原材料较贵，这对批量化生产提出了诸多挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前柔性可拉伸应变传感器普遍存在的可拉伸性过低、拉断后不能自修复、使用温度范围较窄、检测范围较窄、敏感度因子较小、不能自愈、低温下容易发生脆性断裂等缺点，提供了一种采用一步溶胶-凝胶法制备的成本低廉的高可拉伸性、自愈合、抗冻水凝胶基柔性应变传感器，具有耐久性好、检测范围宽、敏感度高、可重复性好等优点，可以有效拓宽柔性可穿戴器件在实际中的应用。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器，它是采用一步溶胶-凝胶法制成成本低廉的高可拉伸性、自愈合、抗冻水凝胶基，并将水凝胶与粘性胶带结合组装，制备而成的柔性可拉伸多功能应变传感器。一种基于可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)、将多壁碳纳米管悬浮分散于表面活性剂A的水溶液中，在冰浴条件下超声分散30-120分钟后，离心，得到上清液；再将表面活性剂B加入到上清液中，重复前述超声和离心操作，得到上清液，即获得经表面活性剂A和B修饰功能化的多壁碳纳米管，将上清液与二甲基甲酰胺和去离子水混合，进一步通过二甲基甲酰胺和去离子水促进功能化多壁碳纳米管的分散和溶解，得到功能化的多壁碳纳米管溶液；步骤(2)、将丙烯酸、过硫酸铵、化学交联剂、九水合硝酸铁、硼砂溶于去离子水中，搅拌均匀并在冰浴条件下超声分散30-120分钟得到溶液，得到前驱体A；其中丙烯酸是水凝胶第一网络的单体，过硫酸铵是聚合反应引发剂，九水合硝酸铁为物理交联剂，可以用硝酸铁替用，硼砂是水凝胶第二网络聚丙烯醇的交联剂；步骤(3)、将聚乙烯醇溶液、多元醇、功能化的多壁碳纳米管溶液、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、催化剂溶于去离子水中，搅拌均匀并超声分散30-120分钟，得到前驱体B；其中聚乙烯醇是形成水凝胶第二网络的组分，多元醇是抗冻剂，聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸可增加水凝胶的导电性；步骤(4)、分别真空抽出前驱体A和B中的气泡，再将前驱体B和前驱体A混合，在温度20-100℃下反应1-6小时，得到高可拉伸性、自愈合、抗冻水凝胶；步骤(5)、将水凝胶清洗干净并将表面的水干燥，安装导电电极，用粘性胶带封装组成柔性应变传感器。步骤(1)中，所述的离心的转速为4000-12000rpm。所述的表面活性剂A的水溶液由表面活性剂A溶于去离子水中配制而成；去离子水和表面活性剂A的质量比为1:1～20:1。所述的表面活性剂A为十二烷基苯磺酸钠、脂肪酸甘油酯、聚山梨酯、十二烷基硫酸钠、BYK-348流平剂中的一种；所述的表面活性剂B为N-甲基吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯基吡咯烷酮K16-18、正辛基-2-吡咯烷酮中的一种。所述的多壁碳纳米管和表面活性剂A的质量比为1:1～6:1，所述的表面活性剂A和表面活性剂B的质量比为1:1～4:1。所述的多壁碳纳米管、二甲基甲酰胺和去离子水的用量比为15～25:1:1～20mg：mL：mL。所述的去离子水不包括用于溶解表面活性剂A的去离子水。步骤(2)中，所述的丙烯酸和过硫酸铵的摩尔比为50:1～250:1；丙烯酸和化学交联剂的摩尔比为600:1～80:1，优选为450:1～200:1；九水合硝酸铁和化学交联剂的摩尔比为5:1～10:1，优选为6:1～8:1；硼砂和九水合硝酸铁的摩尔比为0.5:1～5:1。所述的丙烯酸与去离子水的体积比为1:0.5～10。所述的化学交联剂为乙二醛、二苯基甲烷二异氰酸酯、亚甲基双丙烯酰胺、酰氯中的一种。步骤(3)中，所述的聚乙烯醇溶液的质量分数为5～50％，优选为5～10％。所述的多元醇为季戊四醇、木糖醇、山梨醇、一缩二丙二醇、新戊二醇中的一种。所述的催化剂为N,N-二甲基十六胺、N,N-二甲基丁胺、四甲基乙二胺、N,N-二甲基环己胺、三亚乙基二胺中的一种。所述的聚乙烯醇溶液、多元醇、功能化的多壁碳纳米管溶液、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸和催化剂的用量比为3mL:0.5～2.5g:10～20mg:0.5～10mL:3～20μL。所述的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与去离子水的体积比为1:1～10。所述的多元醇和硼砂的摩尔比为20:1～60:1。步骤(4)、室温下，前驱体A和B分别置于鼓风干燥机中真空抽取30-120分钟，抽取出气泡。步骤(5)中，采用去离子水将水凝胶清洗干净。本专利技术采用的超声使用条件为每工作3秒钟，间隔1秒钟，功率为160W。本专利技术水凝胶基柔性应变传感器具有高敏感度因子，可用于拉伸应变、压缩应力的检测；其高可拉伸性和低滞后行为，可以实现微小和剧烈的人体运动的实时检测。因此，本专利技术的另一个目的是提供所述的可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器在拉伸应变、压缩应力以及外力频率的检测设备中的应用，具体为在实时健康监测、临床理疗、自愈合器件、柔性机器人、电子皮肤等众多领域中的应用。本专利技术的有益效果：本专利技术针对目前柔性应变传感器普遍存在的可拉伸性过低、拉断后不能自修复的问题，利用双网络聚丙烯酸/聚乙烯醇实现水凝胶内独特的配位键和氢键相互作用，制备了可拉伸性自愈合水凝胶基多功能柔性应变传感器，自愈合时间短、自愈合效率高，具有优异的自愈合效率和较高的自愈合拉伸率；同时根据交联剂的不同，可以调节水凝胶基传感器的力学性能，制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器，其特征在于它是采用一步溶胶‑凝胶法制成可拉伸性、自愈合、抗冻水凝胶基，将水凝胶与粘性胶带结合组装，制备而成的柔性可拉伸多功能应变传感器。

【技术特征摘要】
1.一种可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器，其特征在于它是采用一步溶胶-凝胶法制成可拉伸性、自愈合、抗冻水凝胶基，将水凝胶与粘性胶带结合组装，制备而成的柔性可拉伸多功能应变传感器。2.权利要求1所述的可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)、将多壁碳纳米管悬浮分散于表面活性剂A水溶液中，在冰浴条件下超声分散后，离心，得到上清液；再将表面活性剂B加入到上清液中，重复前述超声和离心操作，得到上清液，将上清液与二甲基甲酰胺和去离子水混合，得到功能化的多壁碳纳米管溶液；步骤(2)、将丙烯酸、过硫酸铵、化学交联剂、九水合硝酸铁、硼砂溶于去离子水中，搅拌均匀并在冰浴条件下超声分散得到溶液，得到前驱体A；步骤(3)、将聚乙烯醇溶液、多元醇、功能化的多壁碳纳米管溶液、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、催化剂溶于去离子水中，先搅拌均匀再超声分散，得到前驱体B；步骤(4)、分别真空抽出前驱体A和B中的气泡，再将前驱体B和前驱体A混合，在温度20-100℃下反应1-6小时，得到高可拉伸性、自愈合、抗冻水凝胶；步骤(5)、将水凝胶清洗干净，将表面干燥，安装导电电极，用粘性胶带封装组成柔性应变传感器。3.根据权利要求2所述的可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器的制备方法，其特征在于步骤(1)中，所述的多壁碳纳米管和表面活性剂A的质量比为1:1～6:1，所述的表面活性剂A和表面活性剂B的质量比为1:1～4:1；去离子水和表面活性剂A按照质量比为1:1～20:1配制成表面活性剂A水溶液；所述的多壁碳纳米管、二甲基甲酰胺和去离子水的用量比为15～25:1:1～20。4.根据权利要求2或3所述的可拉伸自愈合水凝胶柔性应变传感器的制备方法，其特征在于所述的表面活性剂A为十二烷基苯磺...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晓臣，葛刚，邵进军，司伟丽，黄维，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32