一种用于可穿戴多模态传感器的高强韧宽温域抗溶胀油水凝胶材料制造技术

本发明专利技术公开了一种用于可穿戴多模态传感器的高强韧宽温域抗溶胀全物理交联油水凝胶材料，技术方案是，以全物理交联的聚乙烯醇网络为骨架，醇

【技术实现步骤摘要】
一种用于可穿戴多模态传感器的高强韧宽温域抗溶胀油水凝胶材料


[0001]本专利技术涉及一种用于可穿戴多模态传感器的高强韧宽温域抗溶胀全物理交联油水凝胶材料，属于高强韧水凝胶材料领域和柔性传感领域。

技术介绍

[0002]随着智能化时代的到来，应用于人体健康检测、电子皮肤等领域的可穿戴柔性传感器表现出极高的应用价值。对于柔性电子器件，高度的可拉伸性和电学性能是其评价准则。传统的电子设备质地坚硬，与人体组织存在生物力学差异，在动态过程中易与人体剥离脱落，功能难以保持。塑料，弹性体等柔性基体和导电填充物制备的柔性传感器存在电化学性能和力学性能难以保持平衡，材料与组织贴合不紧密，延展性低等缺陷，限制了柔性传感器在人体可穿戴传感器和智能终端领域的应用。
[0003]水凝胶作为柔性材料，在电学、机械和生物等性能方面均表现出显著的灵活可调性，被认为是构筑柔性可穿戴电子器件的最有潜力的候选材料之一，在远程健康监控，人体运动跟踪，电子皮肤，人机界面和软机器人等柔性电子领域显示出巨大潜力。根据不同的使用条件可以构建具有不同功能性的特殊水凝胶材料，以满足超拉伸、黏附、自愈合等需求，同时水凝胶的导电性能能够通过引入离子等方式进行调控。2021年《Advanced Functional Materials》报道了将聚乙烯醇结晶网络与聚(磺酸甜菜碱甲基丙烯酸酯
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甲基丙烯酸羟乙酯)两性离子聚合物化学网络结合，经盐酸质子化处理得到具有高离子电导率(4.58S m
‑1)，和低溶胀行为(在水中溶胀率9％)的水凝胶。基于这种水凝胶构筑的水下应变传感器能够高灵敏地检测水下运动。然而该水凝胶的力学性能较弱(拉伸强度376kPa：断裂应变337％)，且低温下的性能未见报道(An Anti
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Swellable Hydrogel Strain Sensor for Underwater Motion Detection.Advanced Functional Materials,2021,32,2107404)。2022年《ACS Applied Materials&Interfaces》报道了一种在聚(N
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异丙基丙烯酰胺
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丙烯酰胺)网络中引入聚乙烯吡咯烷酮/单宁酸/Fe开发得到的导电、温度响应的双网络离子水凝胶。该水凝胶具有快速响应性、良好的导电性、温度响应性、透明性以及粘性，可以作为柔性传感器检测人体细微的运动，具有高灵敏度，优异的稳定性和良好的重复性。然而该水凝胶具有较低的断裂应变(720％)，较高的溶胀比(500％)，且其低温下的性能未见报道(Temperature
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Responsive Ionic Conductive Hydrogel for Strain and Temperature Sensors.ACS Applied Materials&Interfaces,2022,14,26536)。中国专利局于2022年7月12日公开了一种抗冻水凝胶、其制备方法及适用于极低温响应的柔性温度传感器(申请公布号为CN 114736477 A)，其由聚乙烯醇单体、植酸分子以及葡萄糖和/或果糖组成，通过氢键、酯键和静电吸附作用等多种方式交联，得到了适用于极低温响应的柔性温度传感器。其缺点在于：该水凝胶的力学性能未见表征，只适用于贴合人体的温度传感，虽具有抗冻性能，但难以克服聚乙烯醇水凝胶低湿度环境中易脱水和高湿度环境或水环境中易溶胀的缺陷，应用环境仍然受限。
[0004]迄今为止，多数水凝胶及其柔性传感器都面临着在低温下易冻结、高温下易失水以及水环境中易溶胀等抑制机械性能和其他功能的问题。开发能够应用于多种极限环境，如高力学、高温、低温以及高湿度甚至各种水环境中的水凝胶材料及其柔性传感器具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种用于可穿戴多模态传感器的高强韧宽温域抗溶胀全物理交联油水凝胶材料，该材料能够构筑用于各种复杂环境(高力学、高温、低温及水下)的柔性可穿戴多模态传感器，实现对宽检测范围的应力、应变和温度的灵敏稳定检测。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0007]一种用于可穿戴多模态传感器的高强韧宽温域抗溶胀油水凝胶材料，以全物理交联的聚乙烯醇网络为骨架，醇
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水二元溶剂为分散介质；其制备方法是以聚乙烯醇为原料，将其溶解后逐步经过冻融循环和醇溶剂浸泡溶剂置换，得到具有相分离结构和强氢键作用的全物理交联网络结构的油水凝胶材料。进一步，制备方法具体步骤如下：
[0008](1)将聚乙烯醇在水中加热搅拌得到均匀混合的聚乙烯醇溶液；
[0009](2)将聚乙烯醇溶液除去气泡注入模具，经过冻融循环获得中间体聚乙烯醇水凝胶；
[0010](3)将聚乙烯醇水凝胶完全浸入醇溶剂中一定时间形成相分离结构，取出后密封放置，得到高强韧宽温域抗溶胀油水凝胶材料。
[0011]进一步，步骤(1)中加热的温度为65
‑
95℃，时间为0.2
‑
5h；聚乙烯醇溶液的质量分数为3％
‑
20％。
[0012]优选的，步骤(1)中聚乙烯醇溶液的质量分数为10％。
[0013]进一步，步骤(2)中冻融循环的条件为：
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20℃冷冻6
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36h，室温下解冻3
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24h。
[0014]优选的，步骤(2)中冻融循环的条件为：
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20℃冷冻12h，室温下解冻3h。
[0015]进一步，步骤(3)中醇溶剂为丙三醇、乙二醇、乙醇、丙二醇中至少一种，在醇溶剂中浸泡的一定时间为10
‑
720min，密封放置的时间为10
‑
168h。
[0016]优选的，步骤(3)中醇溶剂为丙三醇。
[0017]优选的，步骤(3)中一定时间为60min。
[0018]优选的，步骤(3)中密封放置时间为24h。
[0019]进一步，聚乙烯醇的聚合度为2000，醇解度为99％。
[0020]进一步，步骤(1)中聚乙烯醇溶液中没有加入化学交联剂。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022](1)本专利技术通过冻融循环构建了聚乙烯醇水凝胶中间体，随后以醇溶剂进行溶剂置换，促进聚乙烯醇聚合物间氢键的相互作用，构成了强健的聚乙烯醇物理网络，得到高强韧宽温域抗溶胀油水凝胶。高密度的氢键赋予油水凝胶高拉伸强度、超拉伸应变和高韧性。
[0023](2)本专利技术在凝胶中引入醇溶剂作为聚乙烯醇的不良溶剂，醇
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水二元溶剂的设计不仅能够在低温下抑制冰晶的形成，使油水凝胶能够在较宽的温度范围(
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40～80℃)保持优异的力学性能，而且不良溶剂醇的引入能够诱导相分离结构的产生，大幅提升聚乙烯醇
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于可穿戴多模态传感器的高强韧宽温域抗溶胀油水凝胶材料，其特征在于，油水凝胶材料以全物理交联的聚乙烯醇网络为骨架，醇
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水二元溶剂为分散介质；其制备方法是以聚乙烯醇为原料，逐步经过冻融循环和醇溶剂浸泡溶剂置换，得到具有相分离结构和强氢键作用的全物理交联网络结构的油水凝胶材料。2.根据权利要求1所述的油水凝胶材料，其特征在于，制备方法具体步骤如下：(1)将聚乙烯醇在水中加热搅拌得到均匀混合的聚乙烯醇溶液；(2)将聚乙烯醇溶液除去气泡注入模具，经过冻融循环获得中间体聚乙烯醇水凝胶；(3)将聚乙烯醇水凝胶完全浸入醇溶剂中一定时间形成相分离结构，取出后密封放置，得到高强韧宽温域抗溶胀油水凝胶材料。3.根据权利要求2所述的油水凝胶材料，其特征在于，步骤(1)中加热的温度为65
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95℃，时间为0.2
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5h；聚乙烯醇溶液的质量分数为3
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20％；步骤(2)中冻融循环的条件为：
‑
20℃冷冻6
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨艳宇，杨旭，潘虹宇，乔志远，李纪昌，王万杰，
申请(专利权)人：南阳理工学院，
类型：发明
国别省市：