一种水凝胶传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水凝胶传感器及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将水凝胶前驱液倒入含微结构模具的密闭反应池中，聚合20

【技术实现步骤摘要】
一种水凝胶传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及传感器制备
，具体涉及一种水凝胶传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]传感技术在促进经济发展、推动社会进步等方面发挥着重要作用，世界各国都十分重视这一技术的发展。近些年来，在人体健康监测、人体运动检测、虚拟现实技术等领域中，对皮肤可贴装、可穿戴的柔性传感器的需求越来越大。
[0003]水凝胶传感器是将导电成分引入到水凝胶体系中可以赋予水凝胶导电能力，导电水凝胶在变形(如拉伸、压缩、扭曲等)时，由于导电材料固有的压阻效应、几何效应、接触电阻发生变化等效应和机制，其电阻、电流等电性能就会随着外界刺激变化而改变。然而，目前的水凝胶传感器通常只对拉伸应变有电学性能的响应，而对压力产生的微弱应变响应不灵敏甚至无响应。但是，传感器的很多应用场景是在微弱的压力刺激下，比如检测脉搏的震动、喉咙吞咽行为以及检测物体重力分布等，这种情况下水凝胶作为压力传感器使用往往受到很大限制。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种水凝胶传感器的制备方法，以解决现有水凝胶传感器对微弱压力应变灵敏度不高的问题。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种水凝胶传感器的制备方法，在水凝胶表面构筑微结构。
[0006]进一步，在水凝胶表面构筑微结构包括以下步骤：
[0007](1)将水凝胶前驱液倒入含微结构模具的密闭反应池中，聚合20
‑
28小时；
[0008](2)将步骤(1)所得物在清洗液中浸泡1
‑
3天；
[0009](3)将步骤(2)所得物清洗干净、表面干燥后，裁剪，再在其两表面贴装导电铜箔组装成水凝胶传感器。
[0010]本专利技术的有益效果为：本专利技术通过在水凝胶表面构筑微结构，得到表面具有微结构的水凝胶，微结构使水凝胶能够感受微弱的压力而产生形变，从而引起水凝胶体积电阻的变化，同时微结构也能增大微弱压力下电极与水凝胶间接触面积，从而引起接触电阻的变化，微弱压力下水凝胶接触电阻及体积电阻的较大变化，使其能够对微弱压力产生较大的响应，提高了水凝胶传感器的灵敏度。
[0011]进一步，步骤(1)所述的前驱液通过以下方法制得：将阴离子单体对苯乙烯磺酸钠、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸缩脲基乙酯(2
‑
ureidoethyl methacrylate)和碳纳米管
‑
纳米纤维素复合材料完全溶解在氯盐溶液中，然后加入引发剂和促引发剂，再去除氧气后制得；
[0012]其中，阴离子单体和阳离子单体的总摩尔浓度为1.5
‑
2.5mol/L，阴离子单体、阳离子单体和甲基丙烯酸缩脲基乙酯(2
‑
ureidoethyl methacrylate)摩尔比为51～53：47～
49：9～11，碳纳米管
‑
纳米纤维素复合材料的质量为水凝胶的质量的0.8
‑
1.5％，氯盐的浓度为0.4～0.6mol/L，碳纳米管
‑
纳米纤维素复合材料通过以下方法制得：将碳纳米管和纳米纤维素按1：1的质量比混合后，搅拌均匀制得。
[0013]进一步，阴离子单体和阳离子单体的总摩尔浓度为2mol/L，阴离子单体、阳离子单体和甲基丙烯酸缩脲基乙酯(2
‑
ureidoethyl methacrylate)摩尔比为52：48：10。
[0014]进一步，碳纳米管
‑
纳米纤维素复合材料的质量为水凝胶质量的1％。
[0015]进一步，氯盐的浓度为0.5mol/L。
[0016]进一步，引发剂的物质的量为阴离子单体和阳离子单体总物质的量的0.5～1.5％，促引发剂的物质的量为引发剂的物质的量0.5～1.5％。
[0017]进一步，氯盐溶液为NaCl溶液。
[0018]采用上述进一步技术方案的有益效果为：阴离子单体和阳离子单体作为水凝胶的反应单体，通过自由基共聚反应形成聚合物，同时两种单体之间形成动态可逆的离子相互作用，为水凝胶提供弹性和韧性。甲基丙烯酸缩脲基乙酯(2
‑
ureidoethyl methacrylate)共聚到聚合物主链中可以形成氢键交联，为水凝胶网络提供交联点，碳纳米管
‑
纳米纤维素复合材料作为填料可以大幅提升水凝胶的力学性能，其中碳纳米管具有导电能力和压阻效应，能够提高水凝胶的导电性及压阻响应能力，纳米纤维素与碳纳米管之间存在疏水相互作用，从而提高碳纳米管的分散性。本专利技术通过将导电材料碳纳米管引入到水凝胶体系中可以赋予水凝胶导电能力，导电水凝胶在变形(如拉伸、压缩、扭曲等)时，由于导电材料碳纳米管固有的压阻效应、几何效应、接触电阻发生变化等效应和机制，其电阻、电流等电性能就会随着外界刺激变化而改变，从而将压力信号转变为电学信号。
[0019]引发剂可以引发自由基聚合反应，促引发剂可以降低引发剂引发反应所需的温度，使本反应可以在常温下进行。
[0020]进一步，步骤(1)所述的含微结构模具的密闭反应池包括一对玻璃板、硅胶垫和砂纸。
[0021]进一步，砂纸目数为60
‑
400目。
[0022]采用上述进一步技术方案的有益效果为：通过砂纸作为模具，成本低，微结构尺寸可以根据砂纸目数的不同来调节，从而可以制备灵敏度不同的水凝胶传感器。
[0023]进一步，步骤(2)所述清洗液为0.4～0.6mol/L的NaCl溶液，每天更换NaCl溶液2
‑
3次。
[0024]采用上述进一步技术方案的有益效果为：使水凝胶平衡并洗去残留的化学物质。
[0025]进一步，步骤(3)中所述裁剪的尺寸为：长为14～16mm，宽为14～16，厚为1.5～2.5mm。
[0026]采用上述进一步技术方案的有益效果为：如此形状的水凝胶制成的传感器形状微小，由于其便携性，使用舒适性等更便于在小型化电子设备方向应用。
附图说明
[0027]图1为微结构水凝胶传感器示意图；
[0028]图2为不同尺寸微结构水凝胶传感器电阻
‑
压力响应曲线；
[0029]图3为不同尺寸微结构水凝胶传感器的灵敏度图。
具体实施方式
[0030]以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0031]实施例1：
[0032]一种水凝胶传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0033](1)将阴离子单体对苯乙烯磺酸钠、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸缩脲基乙酯(2
‑
ureidoethyl methac本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，在水凝胶表面构筑微结构。2.根据权利要求1所述的水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将水凝胶前驱液倒入含微结构模具的密闭反应池中，聚合20
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28小时；(2)将步骤(1)所得物在清洗液中浸泡1
‑
3天；(3)将步骤(2)所得物清洗干净、表面干燥后，裁剪，再在其两表面贴装导电铜箔组装成水凝胶传感器。3.根据权利要求2所述的水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的水凝胶前驱液通过以下方法制得：将阴离子单体对苯乙烯磺酸钠、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸缩脲基乙酯和碳纳米管
‑
纳米纤维素复合材料完全溶解在氯盐溶液中，然后加入引发剂和促引发剂，再去除氧气后制得；其中，阴离子单体和阳离子单体的总摩尔浓度为1.5
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2.5mol/L，阴离子单体、阳离子单体和甲基丙烯酸缩脲基乙酯摩尔比为51～53：47～49：9～11，碳纳米管
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纳米纤维素复合材料的质量为水凝胶质量的0.8
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1.5％，氯盐的浓度为0.4～0.6mol/L，碳纳米管

【专利技术属性】
技术研发人员：向韬，贾良好，蒋锦锐，武珊珊，周绍兵，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：