本发明专利技术公开了一种水凝胶应变传感材料及其制备方法与应用。首先将聚两性电解质预成型凝胶浸泡在金属盐溶液，然后施加外力拉伸到一定的预拉伸比，再浸泡去离子水中进行透析除去多余离子，最后卸去外力使凝胶达到平衡状态。所得水凝胶材料不仅具有良好的力学性能还具有良好的机械响应性与电学性能。本发明专利技术的制备过程不仅操作简便，并且产品性能优异，可用于可穿戴电子设备、传感技术、软体机器人等领域。软体机器人等领域。软体机器人等领域。
【技术实现步骤摘要】
一种水凝胶应变传感材料及其制备方法与应用
[0001]本专利技术涉及高分子材料
，具体涉及一种水凝胶应变传感材料及其制备方法与应用。
技术介绍
[0002]高分子水凝胶是一类含有大量水分的三维交联亲水聚合物。因具有软、湿等物理特性，水凝胶材料在生物组织工程、生物医药、柔性电子及软体机器人等领域展现出迷人的应用前景。传统的合成水凝胶一般具有网络结构不均匀或缺乏能量耗散机制，导致力学性能较弱，严重限制了其实际应用。
[0003]针对力学性能弱的问题，近些年Gong等人基于“牺牲键”原理(J.P.Gong,“Why are double network hydrogels so tough？”,Soft Matter,6(2010)2583
‑
2590.)采用阴、阳离子单体通过自由基溶液聚合法制备了一种新型的聚两性电解质(Polyampholyte，PA)水凝胶，在水凝胶网络中大量带异种电荷的离子基团间所形成的离子键作为牺牲键，实现了PA水凝胶的强韧化(T.L.Sun,et al,“Physical hydrogels composed of polyampholytes demonstrate high toughness and viscoelasticity”,Nature Materials 12(2013)932
‑
937.)。
[0004]为了进一步提高PA水凝胶力学性能，最近Huang等人采用简单的二次平衡方法将金属配位键引入到水凝胶网络中，制备了离子键和金属配位键协同增强增韧的PA水凝胶(Y.Huang,et al,“Strong tough polyampholyte hydrogels via the synergistic effect of ionic and metal
‑
ligand bonds”,Advanced Functional Materials 31(2021)2103917.)。该方法能够有效增强增韧PA水凝胶主要归因于多价金属离子能够与水凝胶网络中的阴离子基团形成金属配位键，达到调整优化基于离子键的原始PA水凝胶网络，实现协同强韧化。
[0005]本专利技术在此基础之上进一步利用预拉伸处理手段诱导PA水凝胶网络中高分子链取向，得到的水凝胶不仅在水平衡状态也具有良好的导电性，并且表现出优异地应变响应能力，可以作为应变传感器，拓展了水凝胶在生物组织工程、柔性电子等领域的应用。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的是提供一种可在水平衡状态表现出良好导电性、高灵敏应变信号传输性能的水凝胶基应变传感器及其制备方法，同时工艺简单、操作易控、原料易得、制备周期较短的优点。
[0007]本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是：
[0008]一种应变传感材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009]1)将阴离子单体、阳离子单体、交联剂、引发剂混合溶解于去离子水中；
[0010]2)将步骤1)得到的混合溶液注入模具中，并引发两单体的聚合反应，得到柔性的预成型聚两性电解质凝胶；
[0011]3)将步骤2)得到的预成型凝胶浸泡在含金属离子的水溶液中，得到过饱和凝胶；
[0012]4)将步骤3)得到的过饱和水凝胶施加外力拉伸至一定的预拉伸比；
[0013]5)将步骤4)中的预拉伸水凝胶保持拉伸状态，透析除去水凝胶网络结构中的杂质，得到金属子交联的取向态聚两性电解质水凝胶；
[0014]6)将步骤5)中金属离子交联的取向态聚两性电解质水凝胶，卸去外力，得到所述应变传感材料。
[0015]优选地，步骤1)所述阴离子单体包括对苯乙烯磺酸钠(NaSS)；阳离子单体任选自甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(MATAC)，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMAEA
‑
Q)、N,N,N
‑
三甲基
‑3‑
(2
‑
甲基烯丙酰氨基)
‑1‑
氯化丙铵(MPTC)，N,N,N
‑
三甲基
‑3‑
(2
‑
烯丙酰氨基)
‑1‑
氯化丙铵(DMAPAA
‑
Q)。
[0016]优选地，步骤1)阴离子单体摩尔量与阴、阳离子单体的总摩尔量之比为(0.48～0.52)﹕1；所得混合溶液中单体总摩尔浓度为2.1～2.7mol/L；交联剂和引发剂分别占总单总摩尔量的0.1％～0.5％。
[0017]优选地，步骤1)所述交联剂包括N,N
’‑
亚甲基双丙烯酰胺；引发剂包括α
‑
酮戊二酸。
[0018]优选地，步骤3)所述金属离子任选自Fe
3+
、Al
3+
、Ca
2+
、Zn
2+
。
[0019]优选地，步骤3)中金属离子溶液中金属离子浓度为0.3～2.0mol/L；浸泡时长为48～72小时。
[0020]优选地，步骤4)中，预拉伸比为1.0～5.0m/m。
[0021]优选地，步骤6)卸去外力后，在水平衡状态下保持1小时以上，进一步可置于去离子水中平衡1小时以上。
[0022]本专利技术还提供一种应变传感材料，采用上述的方法制备得到。
[0023]本专利技术还提供上述应变传感材料的应用，通过所述应变传感材料在不同应变条件下的电阻响应实现应变传感。所述应变传感材料可在较高含水情况下实现应变传感。
[0024]本专利技术通过先在聚两性电解质凝胶中引入多价金属阳离子同时预拉伸得到金属配位协同取向结构增强聚两性电解质水凝胶，该水凝胶还表现出良好的导电性、高灵敏应变信号传输性能。在预拉伸的过程中，聚合物中的部分
‑
SO3‑
基团在金属离子作用下形成配位键，实现离子键与金属配位键在预拉伸方向协同将分子链固定，达到取向结构增强聚两性电解质水凝胶。在外界应力作用下，该水凝胶网络中的动态键可有效耗散能量，从而显著提高水凝胶的机械性能，同时这些动态键在较短时间内又能重新结合，赋予水凝胶优异的耐疲劳性能。同时，取向结构增强的聚两性电解质水凝胶还具有良好的导电性、高灵敏应变信号传输性能，并具有产品一锅加料，一次聚合反应，自由成型，高强度、高韧性等优点。这将成为制备具有高灵敏应变传感的金属配位协同预拉伸诱导取向增强增韧聚两性电解质水凝胶的普遍方法。
[0025]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和显著进步：
[0026]1)本专利技术制备工艺极其简单，生产周期短、工艺条件简便，生产成本低、原料易得。
[0027]2)本专利技术方法中，采用两种不同形式的物理键将分子链在预拉伸方向固定得到取向交联水凝胶网络，不仅显著提高了水凝胶的拉伸强度、杨氏模量及力学韧性，同时还赋予了在水平衡状态时的水凝胶作为应变传感器的高灵敏性。
附图说明
[0028]利用附图对本专利技术作进一步说明本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种应变传感材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将阴离子单体、阳离子单体、交联剂、引发剂混合溶解于去离子水中；2)将步骤1)得到的混合溶液注入模具中，并引发两单体的聚合反应，得到柔性的预成型聚两性电解质凝胶；3)将步骤2)得到的预成型凝胶浸泡在含金属离子的水溶液中，得到过饱和凝胶；4)将步骤3)得到的过饱和水凝胶施加外力拉伸至一定的预拉伸比；5)将步骤4)中的预拉伸水凝胶保持拉伸状态，透析除去水凝胶网络结构中的杂质，得到金属子交联的取向态聚两性电解质水凝胶；6)将步骤5)中金属离子交联的取向态聚两性电解质水凝胶，卸去外力，得到所述应变传感材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述阴离子单体包括对苯乙烯磺酸钠(NaSS)；阳离子单体任选自甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(MATAC)，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMAEA
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Q)、N,N,N
‑
三甲基
‑3‑
(2
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甲基烯丙酰氨基)
‑1‑
氯化丙铵(MPTC)，N,N,N
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三甲基
‑3‑
(2
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烯丙酰氨基)
‑1‑
氯化丙铵(DMAPAA
【专利技术属性】
技术研发人员：黄以万，肖龙亚，刘涛，陈文君，滕琴，李学锋，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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