基于多重物理交联作用的离子凝胶、制备方法及应变传感器技术

本发明专利技术公开了基于多重物理交联作用的离子凝胶、制备方法及应变传感器。该离子凝胶表现出良好的机械性能(最大拉伸应力610KPa，应变1160％)，较低离子液体负载量(60wt％)就可以实现所需的离子电导率(室温下>0.12mS/cm)。该传感器在较宽的温度范围(20至180℃)内依旧能够保持凝胶状态，适用于恶劣环境，并具有长期电信号稳定性。此外该应变传感器可以用来检测人体不同部位的运动，包括手指、手腕和肘部的弯曲，以及吞咽和发声过程中轻微的喉咙抖动，且表现出快速响应、高灵敏度和良好的可重复性，说明该离子凝胶具有在柔性电子设备中应用的潜力。用的潜力。用的潜力。

【技术实现步骤摘要】
基于多重物理交联作用的离子凝胶、制备方法及应变传感器


[0001]本专利技术涉及高分子凝胶及传感器领域，具体涉及高力学性能离子液体凝胶在柔性传感器等可穿戴设备的应用，具体涉及一种基于多重物理交联作用的离子凝胶、制备方法及应变传感器。具有轻便、薄、柔软、可弯曲等特点，具有较高的灵活性、伸展性、弯曲性和灵敏性，主要用于检测人体运动等领域。

技术介绍

[0002]离子液体是完全由阴阳离子组合且在100℃下呈液体状态的离子化合物。大多数离子液体在室温或接近室温的条件下都表现出液体状态。离子液体具有稳定性好、不可燃烧、蒸气压小且很难挥发、溶解性出色，是传统有机溶剂的良好替代品。与此同时，离子液体在热稳定性、导电性等方面具有独特的优势。
[0003]离子凝胶是一类以网络骨架结构固定离子液体基质的软物质材料。离子凝胶代表一类重要的传感材料，其包含了含离子液体的聚合物，既具有固体又具备液体，聚合物网络骨架提供了防止离子液体泄漏的弹性固体结构，而离子液体又保证了导电性。离子凝胶保留了离子液体的主要性质，同时易于成型，大大扩大了离子液体的应用范围。因此，离子凝胶可以开发出来广泛地应用于可穿戴电子设备领域，尤其是电子皮肤。值得注意的是，离子凝胶中的非导电聚合物影响了导电性，从而降低了灵敏度。尽管到目前为止，多功能高灵敏度的离子凝胶压力传感器已经开发出来，但是由于材料的限制，还面临着巨大的挑战。
[0004]基于双网络结构的高性能离子凝胶，虽然在凝胶性能以及制备流程上取得了很大的进步，但是所得离子凝胶的力学性能仍然无法与很多高性能水凝胶相比，且化学交联成键不可避免地提高了制备难度。虽然开发出了“一锅法”的凝胶快速制备策略，但是还需要进行加热后固化反应的操作。更重要的是，由于有些双网络体系需要对单体进行设计，制备结构特殊的非常规聚合物单体，虽然能够很好地引入功能性，但是提高了规模化生产和制造的难度及成本。因此，考虑通过聚合物结构设计，进一步提高凝胶性能的同时，降低分子合成及凝胶制备难度，有望提高高性能离子凝胶的快速制备及大规模应用的可能性。
[0005]与化学交联相对应的是物理交联，一般是通过非共价相互作用实现凝胶整体结构的形成。非共价相互作用是指分子间或单个的分子内部凭借一种分散变化的电磁力来维系一定的空间结构的一种作用，包括静电相互作用、范德华力、氢键作用、疏水作用等。离子液体与其它传统液体相比最大的区别是其由大量带电离子组成。与这样一种带电离子相关的非共价相互作用有很多，例如π
‑
阳离子相互作用、离子
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偶极相互作用以及最常见的库仑力等。所以可以通过聚合物结构设计，利用这种非共价相互作用制备单网络的离子凝胶，可实现制备简单、性能优异并可规模化生产的离子凝胶。
[0006]基于该离子凝胶的应变传感器，在运动监测方面具有广阔的应用前景。由于凝胶在形变的过程中厚度、截面积等参数会发生变化，导电性的变化反映在电阻值的变化上，故将该离子凝胶薄膜作为传感器附着在关节皮肤上，由于关节弯曲转动等运动会引起凝胶的形变，这些微小的变化能够实时地通过电导率的改变显示在测试仪器上，实现关节运动的
精密快速监测。在人体健康监测、智能机器人等领域具有一定的应用前景。

技术实现思路

[0007]基于以上理论及问题，本专利技术旨在提供一种基于多重物理交联作用的离子凝胶、制备方法及应变传感器。本专利技术提供了一种物理交联型的离子凝胶的设计及制备方法，并将其用于应变传感器领域。本专利技术通过引入多重离子键，制备可自支撑物理交联复合聚合物；通过设计合适的分子结构来调控聚合物网络的强度，优化聚合条件来调控聚合物的分子量，选择合适质量分数的离子液体含量等，制备得到的离子凝胶机械和电化学性能优异、热稳定性良好。并且由于整体网络的构建是不需要任何后交联的，制备工艺简单有望大规模生产。该材料在柔性应变传感器等领域具有很大的潜力。
[0008]详尽地说，本专利技术目标在于提高柔性器件传感性能，设计并优化聚合物的化学组成结构，采用了离子化共聚物的新型方法，对共聚物单体比例、离子化程度及离子液体含量进行调控，制备理想的传感器材料。
[0009]组成该离子凝胶的若干组分有不同的协同调控作用。
[0010]单体A为与离子液体相溶性良好、侧基含极性基团的甲基丙烯酸甲酯，80wt％以上的质量占比赋予了聚合物高的玻璃化转变温度，基团间有氢键交联作用；
[0011]单体B为丙烯酸，构成第二重氢键网络，少比例下不会发生相分离；
[0012]离子化的碱溶液为NaOH的甲醇溶液，聚丙烯酸的羧基可以反应以增加其偶极矩，与离子液体有离子、偶极间的交联作用。
[0013]离子液体为[EMIM][TFSI]，提供凝胶的导电性，与聚合物有离子、偶极间的交联作用且能降低聚合物的鲁棒性以增加聚合物链的柔顺性。
[0014]综上，通过一定程度柔顺性、主链结构的设计及微观多重物理交联作用，平衡导电凝胶的柔性与刚性，获得较好的性能；特别提出的是，室温共溶剂挥发法极大地简化了凝胶的制备步骤。
[0015]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下。
[0016]一种基于多重物理交联作用的离子凝胶，所述离子凝胶包括共聚物与离子液体，通过共聚物与离子液体间的离子
‑
偶极相互作用、氢键和离子团簇形成物理交联体系，得到导电离子凝胶。
[0017]进一步地，所述共聚物的结构如式(Ⅰ)所示：
[0018][0019]式(I)中，M
+
为IA族碱金属阳离子，x、y、z分别代表各单体在共聚物中的摩尔比例，x+y+z＝1，其中x为0.83
‑
0.875，y为0
‑
0.09，z为0.063
‑
0.17。例如，x为0.83、 0.835、0.84、0.845、0.85、0.855、0.86、0.865、0.87或0.875。例如y为0.01、0.02、0.03、 0.04、0.05、
0.06、0.07、0.08或0.09。例如z为0.063、0.065、0.07、0.075、0.08、0.085、 0.09、0.095、0.1、0.105、0.11、0.115、0.12、0.125、0.13、0.135、0.14、0.145、0.15、0.155、 0.16、0.165或0.17。
[0020]进一步地，以离子凝胶的总质量计，所述共聚物的质量百分含量为40％～60％，所述离子液体的质量百分含量为40％～60％。例如，共聚物的质量百分含量为40％、41％、42％、 43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、 57％、58％、59％或60％。例如，所述离子液体的质量百分含量为40％、41％、42％、43％、 44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、 58％、59％或60％。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多重物理交联作用的离子凝胶，其特征在于，所述离子凝胶包括共聚物与离子液体，通过共聚物与离子液体间的离子
‑
偶极相互作用、氢键和离子团簇形成物理交联体系，得到导电离子凝胶。2.根据权利要求1所述的离子凝胶，其特征在于，所述共聚物的结构如式(Ⅰ)所示：式(I)中，M
+
为IA族碱金属阳离子，x、y、z分别代表各单体在共聚物中的摩尔比例，x+y+z＝1，其中x为0.83
‑
0.875，y为0
‑
0.09，z为0.063
‑
0.17。3.根据权利要求1所述的离子凝胶，其特征在于，以离子凝胶的总质量计，所述共聚物的质量百分含量为40％～60％，所述离子液体的质量百分含量为40％～60％。4.根据权利要求1所述的离子凝胶，其特征在于，所述的IA族碱金属阳离子为Li
+
、Na
+
或K
+
；优选地，所述的x:y:z为10：1：1、50：3：7或5：1：0。5.根据权利要求1所述的离子凝胶，其特征在于，所述离子液体是以烷基咪唑盐类为阳离子与阴离子构成的室温离子液体，优选地，所述离子液体为[EMIM][TFSI]、[BMIM][TFSI]、[BMIM][BF4]或[BMIM][PF6]。6.制备如权利要求1
‑
5任一项所述的离子凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、制备作为被离子化的共聚物前驱体，所述前驱体由两种单体经自由基聚合制备得到；步骤2、制备的前驱体由有机溶剂完全溶解，然后加入碱，将所述前驱体离子化，得到离子化后的聚合物溶液；步骤3、向上述离子化后的聚合物溶液中加入离子液体，再经搅拌使聚合物溶液与离子液体混合，得到混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓林，张浩琦，邹志刚，
申请(专利权)人：闽都创新实验室，
类型：发明
国别省市：