一种新型双网络自愈合水凝胶传感器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型双网络自愈合水凝胶传感器的制备方法。该双网络水凝胶的第一网络以丙烯酸和乙烯基离子液体为单体，由自由基引发剂引发共聚而成。同时，羧甲基瓜尔胶作该水凝胶的第二网络。此外，三氯化铝的引入提高了水凝胶的机械强度和导电传感性能，由于三价铝离子可以与双网络上的羧基形成金属动态配位键，增强了水凝胶的自愈合性能。该水凝胶的力学性能良好，在受到外界引起的损伤之后可以自主愈合，且具有优异的传感性能和较高的应变灵敏度，可将其应用于应变传感相关领域。可将其应用于应变传感相关领域。可将其应用于应变传感相关领域。

【技术实现步骤摘要】
一种新型双网络自愈合水凝胶传感器的制备方法


[0001]本专利技术涉及功能性生物高分子材料领域，具体地说，一种新型双网络自愈合水凝胶传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]随着高性能智能材料、智能家居和物联网技术发展迅速，传感器技术逐渐走进人们的生活，掀起了传感器的研究热潮。应变传感器可以将外力引起的形变转换为可以记录的电信号，如电容、电流和电阻等，在软机器人、人工智能、人体运动与健康监测等方面发挥着难以替代的重要作用。
[0003]目前使用较多的应变传感器包括将集成导电材料的柔性薄金属基板、液态金属传感器和导电弹性体等，但它们的可拉伸能力较差，限制了其在检测人体运动等方面的应用。相较之下，具有可调节的拉伸性能的水凝胶更有应用潜力。众所周知，传感器在实际应用中不可避免地会有一定程度的损坏，其原位修复非常具有挑战性和实用价值，具有自愈特性的智能传感器已然成为当下的研究热点。因此，制备具有自愈合特性的柔性水凝胶传感器是实现应变传感器的原位修复和延长其使用寿命的一则有效策略。
[0004]目前开发的具有优异机械性能的水凝胶有复合水凝胶、拓扑型水凝胶、双网络结构水凝胶、疏水缔合水凝胶等几大类。其中双网络结构的水凝胶是一种在可自愈的柔性传感器领域颇具前景的水凝胶材料。其原因在于双网络的结构一方面给水凝胶构筑了可调节力学性能的基体，另一方面可以使水凝胶具有良好耗散能量的能力。
[0005]由聚丙烯酸制备的复合水凝胶现已得到广泛的应用。为改善聚丙烯酸水凝胶的力学性能和自愈性能以及拓展其应用范围，常把聚丙烯酸与其它材料进行复合从而制备新型水凝胶。羧甲基瓜尔胶是改性的天然生物大分子，将其引入水凝胶中不仅可以用作第二网络，还有利于形成非共价键，提高能量耗散，从而提高自修复水凝胶抵御变形或损伤的能力。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对上述情况，本专利技术提供一种双网络自愈合水凝胶传感器的制备方法，以解决传统传感器柔韧性欠缺、无法原位愈合以及使用寿命较短等问题。另外，此水凝胶应变传感器能够实时监测人体的运动。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]1)将一定体积的丙烯酸加入去离子水中混合均匀，然后加入一定量的羧甲基瓜尔胶充分搅拌；
[0009]2)将一定量的乙烯基离子液体、三氯化铝、N
′
N
‑
亚甲基
‑
双
‑
丙烯酰胺以及一定浓度和体积的碱性溶液依次加入上述溶液中搅拌一定时间；
[0010]3)冰水浴环境下，将一定浓度和体积的自由基引发剂加入上述溶液中，搅拌均匀后，将混合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在一定温度下静置反应一定时间，得到双网络自愈
合水凝胶。
[0011]所述步骤1)中丙烯酸体积为2.5
‑
3.5毫升，去离子水用量为3.5
‑
4.5毫升，羧甲基瓜尔胶用量为0.15
‑
0.25克。
[0012]所述步骤2)中，乙烯基离子液体用量为0.8
‑
1.5克、三氯化铝用量为0.15
‑
0.25克，N
′
N
‑
亚甲基
‑
双
‑
丙烯酰胺用量为0.003
‑
0.007克、碱性溶液的浓度为2.3
‑
2.7毫克/毫升，体积为1.8
‑
2.2毫升。
[0013]所述步骤3)中，自由基引发剂浓度为5
‑
15毫克/毫升，体积为0.8
‑
1.2毫升，反应温度为50
‑
60摄氏度，反应时间为5
‑
7小时。
[0014]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：
[0015]1)本专利技术制备的新型双网络自愈合水凝胶传感器，具有良好的柔韧性；
[0016]2)本专利技术制备的新型双网络自愈合水凝胶传感器，具有优异的自愈合性能，即在切分成两段后，可原位自愈合为整体；
[0017]3)本专利技术制备的新型双网络自愈合水凝胶传感器，在用作应变传感器时，可以识别人体关节运动。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例1制备的新型双网络自愈合水凝胶传感器可以延展成薄膜和被拉长的图片。
[0019]图2为本专利技术实施例1制备的新型双网络自愈合水凝胶传感器被切分成两块之后原位自愈合的图片。
[0020]图3为本专利技术实施例1制备的新型双网络自愈合水凝胶传感器作拉伸应变传感器时的时间
‑
电阻变化率图。
具体实施方式
[0021]实施例1
[0022]1)将3毫升丙烯酸与4毫升去离子水混合均匀，然后加入0.2克粘度为3600mPa
·
s、取代度为0.68的羧甲基瓜尔胶充分搅拌。
[0023]2)将1克1
‑
乙烯基
‑3‑
丁基咪唑溴盐、0.2克三氯化铝、0.004克N
′
N
‑
亚甲基
‑
双
‑
丙烯酰胺、2毫升2.5毫克/毫升的氢氧化钾溶液依次加入上述溶液中搅拌12小时。
[0024]3)冰水浴环境下，将1毫升10毫克/毫升的过硫酸铵加入上述溶液中，搅拌均匀后，将溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50摄氏度环境下静置反应5.5小时，得到双网络自愈合水凝胶传感器。
[0025]对实施例1中制备的新型双网络自愈合水凝胶传感器进行性能测试，具体如下：
[0026]1)小块水凝胶传感器可以轻易被延展成薄膜以及拉长，如图1所示，证明水凝胶具有良好的柔韧性。
[0027]2)水凝胶传感器被切分成两块之后，可以原位自愈成一个整体，如图2所示，证明水凝胶具有很好的自愈合性能。
[0028]3)通过LCR电桥电极夹将水凝胶传感器接入电路，水凝胶传感器可以作为传感器对人的皱眉以及手指弯曲运动进行传感，如图3所示，证明水凝胶传感器可以精确监测人体
微小的运动。
[0029]实施例2
[0030]1)将2.5毫升丙烯酸与4.5毫升去离子水混合均匀，然后加入0.15克粘度为3000mPa
·
s、取代度为0.6的羧甲基瓜尔胶充分搅拌。
[0031]2)将0.8克1
‑
烯丙基
‑3‑
乙烯基咪唑溴盐、0.25克三氯化铝、0.003克N
′
N
‑
亚甲基
‑
双
‑
丙烯酰胺、1.8毫升2.3毫克/毫升的氢氧化钠溶液依次加入上述溶液中搅拌13小时。
[0032]3)冰水浴环境下，将0.8毫升15毫克/毫升的过硫酸钾加入上述溶液中，搅拌均匀后，将溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50摄氏度环境下静置反应6.5小时，得到双网络自愈合水凝胶传感器。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型双网络自愈合水凝胶传感器，其特征在于：丙烯酸和乙烯基离子液体在碱性溶液中在引发剂的存在下发生共聚，再与羧甲基瓜尔胶复合构成水凝胶的双网络。2.根据权利要求1所述的双网络自愈合水凝胶传感器，其特征在于：所述乙烯基离子液体为1
‑
乙烯基
‑3‑
丁基咪唑溴盐、1
‑
乙烯基
‑3‑
乙基咪唑溴盐、1
‑
烯丙基
‑3‑
乙烯基咪唑溴盐、1
‑
乙烯基
‑3‑
辛基咪唑溴盐中的一种。3.根据权利要求1所述的双网络自愈合水凝胶传感器，其特征在于：所述碱性溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液中的一种。4.根据权利要求1所述的双网络自愈合水凝胶传感器，其特征在于：所述自由基引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的一种。5.根据权利要求1所述的双网络自愈合水凝胶传感器，其特征在于：所述羧甲基瓜尔胶的粘度为3000
‑
4000mPa
·
s，取代度为0.5
‑
0.7。6.权利要求1～5的任一项所述的双网络自愈合水凝胶传感器的制备方法，其特征在于：具备双重网络结构，其中第一网络由丙烯酸和乙烯基离子液体通过自由基引发共聚而成，第二网络为羧甲基瓜尔胶。三氯化铝的引入增强凝胶的机械性能、传感性能以及自愈合性能。具体包括以下步骤：1)将一定体积的丙烯酸加入去离子水中混合均匀，然后加入一定量的羧甲基瓜尔胶充分搅拌；2)将一定量的乙烯基离子液体、三氯化铝、N
′
N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵伟，何姝，吴星，刘佳，刘增，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：