一种基于超拉伸可穿戴多功能水凝胶的摩擦纳米发电机构建方法与智能应用技术

本发明专利技术属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶电极构建的单电极模式摩擦电传感器及制备方法和应用。所述摩擦电传感器采用单电极模式进行构建，VHB薄膜作为摩擦层，柔性多功能水凝胶作为电极。所述摩擦电传感器应用于摩擦发电文字识别检测系统，所述摩擦发电运动检测系统可用于检测文字书写信号的特征，结合卷积神经网络(CNN)分类模型可实现文字信号的精确识别。本发明专利技术提出的这种基于摩擦电的运动检测传感器具有更快的响应速度和更好的分辨能力，通过摩擦电传感器把外部机械刺激转化为对应强度的电脉冲，不需要电池供电，避免传感器对电池电源的依赖。源的依赖。源的依赖。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超拉伸可穿戴多功能水凝胶的摩擦纳米发电机构建方法与智能应用


[0001]本专利技术属于摩擦纳米发电机
，具体涉及基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶和单电极模式摩擦电传感器及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前随着物联网，人机交互等技术的发展，可穿戴电子器件的也随之推动前进。可穿戴电子器件不仅可以模仿人体皮肤的柔韧性、柔软度和感官表现，还可以将外部刺激转化为电信号。现在各个领域有着飞速的发展，如电子皮肤，软晶体管等。可穿戴电子器件可以直接穿戴于人体表面对人体信号进行监测，从而对人体行为进行分析。但是可穿戴电子器件也存在电量供给方面的问题，目前的电源模块仍然存在刚性、非柔性，特别是需要循环充电和更换的问题，严重限制了其广泛应用。
[0003]因此针对于此可以采用摩擦纳米发电机(TENGs)技术对电子器件进行供电，可拉伸摩擦电纳米发电机是一种很有前途的创新技术，可以将包括人类活动以及机械变化在内的各种机械能转化为电能。摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外接导线的传输通路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机可以从许多方面获得能量的输入，包括自然界的能量以及人体运动等能量。
[0004]由于可拉伸摩擦纳米发电机具有重量轻、材料选择丰富、电压输出高、延展性强等优点，在可穿戴电子领域作为绿色电源和自供电电子具有巨大的开发潜力。而作为可拉伸的摩擦纳米发电机需要摩擦层以及电极层均具有良好的延展性，因此，探索用于柔性摩擦纳米发电机的高性能材料迫在眉睫。与传统金属电极相比，导电水凝胶因其优异的拉伸性、良好的生物相容性、导电性能以及与人体软组织的相似性而成为新兴的柔性材料，已应用于超级电容器等电子产品，生理传感器，水凝胶应变传感器，摩擦电纳米发电机等。作为典型的固体状软材料，水凝胶中填充有大量游离水，且在其中3D交联亲水聚合物链网络作为骨架。通过在水凝胶基质中引入适当的导电材料，可以控制水凝胶的电导率，改善水凝胶的电学性能，从而使水凝胶适合直接用作应变传感器和可穿戴电子设备的传感材料。到目前为止，已经将各种导电材料掺入水凝胶中以制备导电水凝胶，例如无机纳米颗粒/纳米线，碳基纳米材料，导电聚合物等。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶和单电极模式摩擦电传感器及制备方法和应用，利用一锅法制备柔性水凝胶电极，作为摩擦纳米发电机的输出电极，使用VHB胶带对其进行封装，VHB胶带不仅可以作为摩擦纳米发电机的摩擦层，也可以作为保护层，用于水凝胶电极的保护，防止水分过度蒸发保证水凝胶电
极的柔韧性。基于水凝胶电极以及封装后的摩擦纳米发电机，将其用于人体运动信号监测和文字书写信号监测；结合配套搭建的一维卷积深度学习网络，该传感器还可用于文字信号分类识别，整体正确率高于97％。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶，所述水凝胶由聚丙烯酰胺、HPMC和MXene组成，其中MXene为导电材料，HPMC和MXene使水凝胶形成双网状结构，增强了水凝胶的稳定性及应变性能和回收性能。
[0007]基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶的制备方法，制备步骤包括：
[0008](1)制备MXene溶液：向反应器中加入浓盐酸，再加入氟化锂搅拌5分钟；将所得混合溶液静置，为了防止放热反应的剧烈反应，将Ti3AlC2分批次缓慢加入反应器中，时间超过5分钟，并连续搅拌24小时；将产物用去离子水冲洗混合溶液，在离心机中以3500转/分离心5分钟，重复上述步骤多次，直至混合溶液pH为6，收集离心管中的沉淀物；将离心管中收集的沉淀溶解在去离子水中，对混合溶液进行超声处理1h，最后将超声后的混合溶液以3500转/分离心1h，收集上清液完成MXene溶液制备；
[0009](2)制备HPMC溶液：将HPMC加入去离子水中，连续搅拌2小时，使HPMC完全溶解，得到5％的溶液；
[0010](3)在(2)中加入(1)中的MXene水溶液和AM粉，1wt％的MBAA溶液和10wt％的AIBI引发剂溶液；
[0011](4)将(3)的溶液在真空室中脱气2小时，倒入2
×
5cm2硅胶模具中，在氩气保护下50度原位聚合3小时，得到柔性多功能水凝胶。
[0012]基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶电极构建的单电极模式摩擦电传感器，所述摩擦电传感器为接触分离模式，柔性多功能水凝胶作为电极层，VHB作为摩擦层。
[0013]本专利技术进一步的技术方案，所述接触分离模式的摩擦电传感器从上至下依次是VHB薄膜、丙烯酰胺水凝胶电极、铜导线、VHB薄膜，所述的水凝胶电极厚度为2毫米。
[0014]本专利技术进一步的技术方案，在同一绝缘的摩擦层表面能够同时在不同部位聚集性质相反的电荷。
[0015]基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶电极构建的单电极模式摩擦电传感器的制备方法，
[0016](1)制备表面柔性水凝胶电极；
[0017](2)制备单电极模式的摩擦纳米发电机；
[0018](3)针对具体应用环境设计制造对应规格的传感器。
[0019]本专利技术进一步的技术方案，
[0020]所述(1)通过上述水凝胶的制备方法的方法制备；
[0021]或，所述(2)的具体步骤包括：
[0022](2
‑
1)通过切割VHB胶带获得2片2
×
2.5cm2透明封装膜，用于后续封装和摩擦层；
[0023](2
‑
2)在底层放置一层(2
‑
1)中所制备的VHB，覆盖水凝胶作为电极，同时引入一根铜线与电极连接；
[0024](2
‑
3)用(2
‑
1)中所制备的VHB胶带覆盖最顶层，使水凝胶完全封装，最终得到单电极模式摩擦纳米发电机；
[0025]或，所述(3)的具体步骤包括：
[0026]根据所需应用的不同来按照(2)制作不同大小规格的摩擦电传感器。
[0027]基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶电极构建的单电极模式摩擦电传感器的应用，所述摩擦电传感器应用于文字识别检测系统。
[0028]本专利技术进一步的技术方案，所述系统包括摩擦电传感器、信号采集、数据预处理和根据具体输入特性搭建的卷积神经网络。
[0029]本专利技术进一步的技术方案，所述卷积神经网络为在输入深度学习分类网络中，搭建一个3层卷积神经网络，包括3个卷积层、2个全连接层。
[0030]本专利技术基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶和单电极模式摩擦电传感器及制备方法和应用的有益之处：
[0031](1)构建多功能柔性水凝胶，可以实现应变传感器和可穿戴电子设备的应用，对于不同拉伸条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶，其特征是：所述水凝胶由聚丙烯酰胺、HPMC和MXene组成，其中MXene为导电材料，HPMC和MXene使水凝胶形成双网状结构，增强了水凝胶的稳定性及应变性能和回收性能。2.基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶的制备方法，所述水凝胶具有权利要求1所述的结构，其特征是：制备步骤包括：(1)制备MXene溶液：向反应器中加入浓盐酸，再加入氟化锂搅拌5分钟；将所得混合溶液静置，为了防止放热反应的剧烈反应，将Ti3AlC2分批次缓慢加入反应器中，时间超过5分钟，并连续搅拌24小时；将产物用去离子水冲洗混合溶液，在离心机中以3500转/分离心5分钟，重复上述步骤多次，直至混合溶液pH为6，收集离心管中的沉淀物；将离心管中收集的沉淀溶解在去离子水中，对混合溶液进行超声处理1h，最后将超声后的混合溶液以3500转/分离心1h，收集上清液完成MXene溶液制备；(2)制备HPMC溶液：将HPMC加入去离子水中，连续搅拌2小时，使HPMC完全溶解，得到5％的溶液；(3)在(2)中加入(1)中的MXene水溶液和AM粉，1wt％的MBAA溶液和10wt％的AIBI引发剂溶液；(4)将(3)的溶液在真空室中脱气2小时，倒入2
×
5cm2硅胶模具中，在氩气保护下50度原位聚合3小时，得到柔性多功能水凝胶。3.基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶电极构建的单电极模式摩擦电传感器，所述水凝胶具备权利要求1所述的结构或根据权利要求2所述的方法制备，其特征是：所述摩擦电传感器为接触分离模式，柔性多功能水凝胶作为电极层，VHB作为摩擦层。4.根据权利要求3所述的基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶电极构建的单电极模式摩擦电传感器，其特征是：所述接触分离模式的摩擦电传感器从上至下依次是VHB薄膜、丙烯酰胺水凝胶电极、铜导线、VHB薄膜，所述的水凝胶电极厚度为2毫米。5.根据权利要求3所述的基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶电极构建的单电极模式摩擦电传感器，其特征是：在同一绝缘的摩擦层表面能够同时在不同部...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬至，李康帅，王微微，张昊，周兰娟，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：