具有梯度孔结构的水凝胶泡沫及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了具有梯度孔结构的水凝胶泡沫及其制备方法、应用，属于水凝胶材料的技术领域。按照质量比包括以下成分：38～42wt％的聚丙烯酰胺、12.5～25wt％的增稠剂、1.3～1.7wt

【技术实现步骤摘要】
具有梯度孔结构的水凝胶泡沫及其制备方法、应用


[0001]本专利技术属于水凝胶材料的
，特别是涉及具有梯度孔结构的水凝胶泡沫及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]随着柔性电子技术的快速发展，人机交互系统正从传统笨重的设备向基于柔性基板的小型化、集成化设备转变。电子皮肤作为机器人虚拟现实的无线人机界面，在复刻生物系统的动态机械特性(例如，柔性和可拉伸性)的同时，很难保持实际使用的导电性和机械耐久性。生物组织的杨氏模量(10Pa～1MPa)与传统无机电子材料的杨氏模量(1～200GPa)之间存在着机械不匹配，会导致设备随着时间的推移而失效，阻碍长期应用。
[0003]目前，设计柔性可拉伸设备的工程方法有：1.引入蛇形或网状结构。此方法可提高电子设备弹性，适应一定程度的应变，但其有限的可拉伸性和固有的高模量会导致免疫反应或局部组织损伤。2.引入超薄结构。此方法可以有效减少机械约束增加表面顺应性，但器件制造工艺复杂。3.引入具有特殊结构的弹性体。此方法可以实现低杨氏模量，但工艺复杂。
[0004]采用性能可调的水凝胶材料可以轻松获得低模量且具有良好可穿戴性能的传感器用作人机交互界面。然而，水凝胶基传感器在实际应用中存在灵敏度低、检测范围窄的缺点。
[0005]目前，提高传感器传感性能的常用方法是引入微结构(金字塔结构、褶皱结构以及多孔结构等)。其中，多孔结构不仅可以改善传感器的传感性能，还能使器件同时具有透气、质轻、柔性以及可拉伸性。设计多孔结构的传感器通常采用牺牲模板法，该方法制备条件苛刻且易引入副产物，因此寻求一种简单、绿色环保且具有一定经济效益的方法去构筑高灵敏柔性可穿戴水凝胶基传感器显得尤为重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，提供了具有梯度孔结构的水凝胶泡沫及其制备方法、应用。
[0007]本专利技术采用以下技术方案：具有梯度孔结构的水凝胶泡沫，按照质量比包括以下成分：
[0008]38～42wt％的聚丙烯酰胺、12.5～25wt％的增稠剂、1.3～1.7wt
‰
的交联剂、4～8wt
‰
的共引发剂和2～3wt％的引发剂，其余为去离子水/乙酸。
[0009]在进一步的实施例中，所述增稠剂为海藻酸钠、壳聚糖、聚乙烯醇中的一种或多种。
[0010]在进一步的实施例中，所述交联剂为N,N
’‑
亚甲基双丙烯酰胺。
[0011]在进一步的实施例中，所述共引发剂为N,N,N
’
,N
’‑
四甲基乙二胺。
[0012]在进一步的实施例中，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
[0013]如上所述的具有梯度孔结构的水凝胶泡沫的制备方法，包括以下步骤：
[0014]步骤一、按照预定质量比将单体丙烯酰胺和增稠剂分成多次溶解于去离子水/乙酸溶液中，得到第一混合溶液；
[0015]步骤二、将每次得到的第一混合溶液中加入交联剂和共引发剂，于冰水浴下磁力搅拌至溶解得到第二混合溶液；
[0016]步骤三、向步骤二中的第二混合溶液中加入引发剂，所述引发剂用于引发反应得到第三混合溶液；
[0017]步骤四、将所述第三混合溶液转移至表面皿中并置于真空烘箱内，于室温中抽真空直至溶液发泡至表面皿的预定高度；并保持预定时长即可制备得到水凝胶泡沫。
[0018]在进一步的实施例中，所述步骤二中的磁力搅拌的搅拌速度为100～1500rmp/min，搅拌时长为1～12h。
[0019]在进一步的实施例中，在步骤四中定义表面皿的高度为H，所述预定高度为h；则表面皿的高度H和预定高度h之间满足以下关系：
[0020]h＝(1/3～3/3)H。
[0021]在进一步的实施例中，所述预定时长为20～60min。
[0022]如上所述的具有梯度孔结构的水凝胶泡沫的应用于传感器的制备。
[0023]本专利技术的有益效果：本专利技术与现有制备方法相比，简单、易于操作，无需引入其他模板，溶剂绿色环保、制备成本较低。
[0024]制备得到的具有梯度孔结构的水凝胶泡沫具有较低的模量和较高的变形性。作为传感器表现出较高的灵敏度和检测范围，具有很好的柔性和可穿戴特性，在电子皮肤、人机交互界面、软体机器人等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
[0025]图1为实施例1中聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶膜的光学照片。
[0026]图2为实施例2的不同厚度的聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫的光学照片。
[0027]图3为实施例1和实施例2的聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶膜和泡沫的红外光谱图。
[0028]图4为实施例1和实施例2聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶膜和不同厚度水凝胶泡沫的机械性能对比图。
[0029]图5为实施例3的不同含水量的聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶的聚合前溶液的黏度及其聚合后的光学照片。
[0030]图6为实施例4的不同海藻酸钠含量的聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶的光学照片。
[0031]图7为实施例5的不同转速条件下聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫的光学照片。
[0032]图8为实施例6的不同搅拌时间条件下聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫的光学照片。
[0033]图9为实施例7的不同发泡高度的聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫的光学照片。
[0034]图10为实施例7的不同发泡高度的聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫的梯度孔结构尺寸分布统计图。
[0035]图11为实施例7的不同发泡高度的聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫的机械性能对比图。
[0036]图12为实施例8的聚丙烯酰胺/壳聚糖水凝胶泡沫的光学照片。
[0037]图13为实施例9的聚丙烯酰胺/聚乙烯醇水凝胶泡沫的光学照片。
[0038]图14为实施例10的聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫用作拉力传感器的传感性能。
[0039]图15为实施例10聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫用作拉力传感器的传感性能与现有文献的对比图。
[0040]图16为实施例10聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫用作压力传感器的传感性能。
[0041]图17为实施例10聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫用作压力传感器的传感性能与现有文献的对比图。
[0042]图18为实施例10的聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶泡沫用于手势识别以控制外科内窥镜进行医疗诊断以及巡航船定点投料。
具体实施方式
[0043]下面结合说明书附图和实施例对本专利技术做进一步的描述。
[0044]以下结合实例进一步说明本专利技术的内容，由技术常识可知，本专利技术也可通过其它的不脱离本专利技术技术特征的方案来描述，因此所有在本专利技术范围内或等同本专利技术范围内的改变均被本专利技术包含。
[0045]实施例1
[0046]聚丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶膜的制备：首先，将16.67wt％海藻酸钠置于丙烯酰胺单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有梯度孔结构的水凝胶泡沫，其特征在于，按照质量比包括以下成分：38～42wt％的聚丙烯酰胺、12.5～25wt％的增稠剂、1.3～1.7wt
‰
的交联剂、4～8wt
‰
的共引发剂和2～3wt％的引发剂，其余为去离子水/乙酸。2.根据权利要求1所述的具有梯度孔结构的水凝胶泡沫，其特征在于，所述增稠剂为海藻酸钠、壳聚糖、聚乙烯醇中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的具有梯度孔结构的水凝胶泡沫，其特征在于，所述交联剂为N,N
’‑
亚甲基双丙烯酰胺。4.根据权利要求1所述的具有梯度孔结构的水凝胶泡沫，其特征在于，所述共引发剂为N,N,N
’
,N
’‑
四甲基乙二胺。5.根据权利要求1所述的具有梯度孔结构的水凝胶泡沫，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。6.如权利要求1至5中任意一项所述的具有梯度孔结构的水凝胶泡沫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、按照预定质量比将单体丙烯酰胺和增稠剂分...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙庚志，回增玉，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：