一种具有梯度结构的离子水凝胶制备方法及其产品和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有梯度结构的离子水凝胶制备方法及其产品和应用，为将聚乙烯醇溶解在去离子水中，配制成聚乙烯醇水溶液，室温下将所述聚乙烯醇水溶液倒入底部用半透膜包裹的开口模具中，并将模具放入氯化钠水溶液中，置于低温下扩散，将得到的凝胶放入去离子水中除去凝胶内部的氯化钠，冻融、保存，得到具有梯度结构的离子水凝胶，其有更高的灵敏度和宽的传感范围，优异的电容信号稳定性，能够作为可靠的可穿戴传感设备来监测各种微弱的生理信号和人体运动。理信号和人体运动。

【技术实现步骤摘要】
一种具有梯度结构的离子水凝胶制备方法及其产品和应用


[0001]本专利技术属于高分子材料
，具体涉及一种具有梯度结构的离子水凝胶制备方法及其产品和应用。

技术介绍

[0002]水凝胶是一种具有三维网络结构和高含水率的特殊软湿材料，在生物医学和传感领域有着广泛的应用。近年来，柔性导电水凝胶传感器在医疗监护设备、智能机器人和可穿戴传感器的制备中受到了极大的关注，因为它们可以通过将各种外部刺激转换为电信号来模拟人体皮肤的灵活性和感官性能。尽管水凝胶传感器已经取得了重大进展，但要克服其局限性，同时实现高灵敏度和大范围的检测，仍然具有挑战性。
[0003]为了解决这个问题，目前的策略主要集中在水凝胶的结构设计和优化，包括引入金字塔结构或褶皱结构，以减少压缩过程中的初始接触面积和增加最终接触面积。尽管这些策略在相同灵敏度的情况下极大地扩大了检测范围，但与人类皮肤的传感能力相比仍有很大差距。人类皮肤通常具有灵敏的触觉反馈系统，能够快速准确地感知周围环境。然而，已报道的大多数梯度水凝胶用于生物组织工程，其力学性能不能满足压力传感器的要求。

技术实现思路

[0004]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0005]本专利技术提供一种具有梯度结构的离子水凝胶制备方法，其特征在于：由以下步骤组成，将聚乙烯醇溶解在去离子水中，配制成聚乙烯醇水溶液，室温下将所述聚乙烯醇水溶液倒入底部用半透膜包裹的开口模具中，并将模具放入氯化钠水溶液中，置于低温下扩散，将得到的凝胶放入去离子水中除去凝胶内部的氯化钠，冻融、保存，得到具有梯度结构的离子水凝胶。
[0006]作为本专利技术所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法的一种优选方案：所述将聚乙烯醇溶解在去离子水中，为将聚乙烯醇配制成15wt％的聚乙烯醇水溶液。
[0007]作为本专利技术所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法的一种优选方案：所述聚乙烯醇，分子量为105000。
[0008]作为本专利技术所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法的一种优选方案：所述半透膜，截留分子量为1000Da。
[0009]作为本专利技术所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法的一种优选方案：所述氯化钠水溶液的质量浓度为25wt％。
[0010]作为本专利技术所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法的一种优选方案：所述置于低温下扩散，为置于
‑
15～
‑
20℃下扩散8h。
[0011]作为本专利技术所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法的一种优选方案：所述模
具，尺寸为30mm
×
30mm
×
2.5mm，所述聚乙烯醇水溶液的体积为2.25mL，所述氯化钠水溶液的体积为25mL，氯化钠水溶液的液面高于聚乙烯醇水溶液液面。
[0012]作为本专利技术所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法的一种优选方案：所述保存，为用10wt％的氯化锂溶液保存。
[0013]作为本专利技术的另一个方面，本专利技术提供所述的制备方法得到的具有梯度结构的离子水凝胶作为压力传感器的应用：将所述具有梯度结构的离子水凝胶置于两层氧化铟锡聚膜之间，得到所述压力传感器。
[0014]本专利技术的有益效果：通过低温定向离子扩散方法合成了具有梯度结构的物理交联PVA离子水凝胶，合成路线十分简单。沿离子扩散方向凝胶具有梯度结构，凝胶底部为致密无孔结构，顶部为多孔结构。由于这种特殊的梯度结构，以该梯度凝胶构建的压力传感器有更高的灵敏度和宽的传感范围，优异的电容信号稳定性，能够作为可靠的可穿戴传感设备来监测各种微弱的生理信号和人体运动。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0016]图1为实施例1压缩应力
‑
应变曲线和梯度离子凝胶扫描电子显微镜图像。
[0017]图2为实施例1样品夹层结构压力传感器的示意图。
[0018]图3为实施例1样品梯度凝胶的循环压缩应力
‑
应变疲劳实验结果。
[0019]图4为实施例1样品周期性负载压力下梯度离子凝胶的电容变化(ΔC/C0)。
[0020]图5为实施例1样品在以不同的压力按压凝胶时，梯度凝胶传感器的ΔC/C0，即轻触摸(≈10kPa)，中等触(≈20kPa)和重触(≈50kPa)，插图显示了用手指按压凝胶传感器的照片。
[0021]图6为实施例1样品在食指以不同角度(0
°
,30
°
,45
°
,60
°
和90
°
)弯曲时，相对电容随时间变化。
[0022]图7为实施例1样品在监测脉搏时，相对电容随时间变化。插图显示了凝胶传感器作为可穿戴脉搏监视器的照片。
[0023]图8为压缩杨氏模量。
[0024]图9为凝胶在不同温度下同时扩散8h的照片。
[0025]图10为梯度离子凝胶和均相离子凝胶的压力
‑
电容响应曲线。
[0026]图11为对照例1的凝胶照片。
[0027]图12为对照例2的凝胶照片。
[0028]图13为对照例3的凝胶照片。
具体实施方式
[0029]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。
[0030]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。
[0031]其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本专利技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0032]具有梯度结构的PVA离子水凝胶的制备方法，其微观结构如扫描电镜图所示，其结构特征在于：凝胶从底部到顶部是从致密无孔结构逐渐向多孔结构变化，顶部的孔径在10
‑
20μm。
[0033]本专利技术中基于梯度离子凝胶压力传感器的制备方法：首先将聚乙烯醇溶解于去离子水中，溶解完全后，将溶胶倒入方形开口的模具中，底部用半透膜包裹。将含有溶胶的模具放入氯化钠溶液中在低温下扩散一段时间，将得到的凝胶放入去离子水中除去凝胶内部的氯化钠，然后冻融一个循环，最后将凝胶置于氯化锂溶液中保存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有梯度结构的离子水凝胶制备方法，其特征在于：由以下步骤组成，将聚乙烯醇溶解在去离子水中，配制成聚乙烯醇水溶液，室温下将所述聚乙烯醇水溶液倒入底部用半透膜包裹的开口模具中，并将模具放入氯化钠水溶液中，置于低温下扩散，将得到的凝胶放入去离子水中除去凝胶内部的氯化钠，冻融、保存，得到具有梯度结构的离子水凝胶。2.根据权利要求1所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法，其特征在于：所述将聚乙烯醇溶解在去离子水中，为将聚乙烯醇配制成15～18wt％的聚乙烯醇水溶液。3.根据权利要求1或2所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法，其特征在于：所述聚乙烯醇，分子量为105000。4.根据权利要求1或2所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法，其特征在于：所述半透膜，截留分子量为1000～1200Da。5.根据权利要求1或2所述的具有梯度结构的离子水凝胶制备方法，其特征在于：所述氯化钠水溶液的质量浓度为25～30wt％。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：何明，朱闻卓，孙文，汪坚，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：