一种粘附自愈合有机水凝胶传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种粘附自愈合有机水凝胶传感器及其制备方法，所述制备方法包括：水、纤维素纳米纤维、金属盐、多元醇、丙烯酰胺类单体、N

【技术实现步骤摘要】
一种粘附自愈合有机水凝胶传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于有机水凝胶传感器制备
，涉及一种粘附自愈合有机水凝胶传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]高性能的应变传感器可以将外界施加的机械形变反复且稳定地转换为直观的电信号，由于其在机械变形时可重复的电气变化和较高的传感灵敏度，在人体运动监测、医疗保健、人机接口设备和人体生理信号检测等领域得到极大的发展和应用。
[0003]目前，常用的应变传感器主要是导电高分子复合材料基应变传感器，主要由绝缘的弹性体基材和导电性的填充材料（例如导电聚合物、碳基填充剂和纳米金属材料）构成，导电高分子复合材料基应变传感器具有优异的灵敏度，且重复使用后具备良好的再现性。
[0004]有机水凝胶、弹性体和柔性纤维等材料都可以用来构建柔性应变传感器，其中，有机水凝胶因其具有良好的生物相容性、高含水性、结构可设计性、柔软且富有弹性等优异的综合性能而受到广泛关注，被广泛应用于人体信息监测、软体机器人、人机交互、创面信息监测等领域。
[0005]高分子有机水凝胶传感器是由交联的亲水性网络以及网络中包裹的水分子共同构成的一种三维（3D）聚合物功能型材料。这类材料具有诸多特点，如高含水量、高孔隙率、循环可逆的溶胀/消溶胀能力、兼具固液两态的性质以及生物相容性，使其在过去几十年中受到广泛地关注和研究。
[0006]传统的聚合物有机水凝胶传感器材料通常是由大分子材料或反应型单体经化学交联所得到。然而，在由化学交联方法得到的共价交联网络中，共价交联链节的分布通常具有任意性和不均匀性等微观缺陷，导致凝胶材料在受到外部加载作用时由于应力集中容易产生不可逆的损坏，表现出令人不满意的机械性能，从而限制了化学交联型有机水凝胶传感器材料的广泛应用。
[0007]此外，用于人体信息监测尤其是用于关节等肢体信息监测的有机水凝胶传感器对拉伸性能、粘附性能、耐久性能和自愈合能力等方面的要求更高，但目前已知的有机水凝胶传感器材料的性能参差不齐，不仅制备工艺复杂繁琐，而且制备得到的有机水凝胶传感器的粘附性不足易脱落且机械性能和自愈合性较差，并不适用于人体信息监测，因此亟需对现有的有机水凝胶传感器的制备工艺进行改进，以开发一种满足上述性能要求的有机水凝胶传感器。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种粘附自愈合有机水凝胶传感器及其制备方法，本专利技术提供的制备方法在纤维素纳米纤维、金属盐和多元醇的存在下物理交联聚(N
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[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺
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共丙烯酰胺)网络，开发了一种可拉伸、柔性、粘合和导电的有机水凝胶传感器。由此产生的有机水凝胶传感器表现出优异的机械性能、
自粘附性和离子导电性，使其成为应变传感应用的极佳材料，特别是在区分和监测人体运动方面。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种粘附自愈合有机水凝胶传感器的制备方法，所述制备方法包括：
[0011]水、纤维素纳米纤维、金属盐、多元醇、丙烯酰胺类单体、N
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三羟甲基甲基丙烯酰胺单体和光引发剂混合得到混合液，采用特定波长的光照射所述混合液，得到所述粘附自愈合有机水凝胶传感器。
[0012]由于有机水凝胶传感器采用传统化学交联的方式制备，使得分子链间作用力小、分子链柔韧性差、化学交联点分布不均匀，导致有机水凝胶传感器的机械性能和稳定性较差，严重限制了有机水凝胶传感器的应用。本专利技术提供的制备方法在纤维素纳米纤维、金属盐和多元醇的存在下物理交联聚(N
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[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺
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共丙烯酰胺)网络，开发了一种具有可拉伸、柔性、粘合和导电等特性的有机水凝胶，由此得到的有机水凝胶传感器表现出优异的机械性能、自粘附性和离子导电性，使其成为应变传感应用的极佳材料，特别是在区分和监测人体运动方面。
[0013]本专利技术制备得到的有机水凝胶传感器具有两个不同特性的网络结构，第一重网络由纤维素纳米纤维经过自组装形成，通过自组装形成刚且脆的第一重刚性网络，刚性网络伴随着外力的作用和撤销发生破坏和复原，起到能量耗散的作用。此外，纤维素纳米纤维表面丰富的羟基具有很强的极性，从而能与聚合物分子链之间发生强相互作用，可以作为物理交联剂交联聚合物网络，有助于同时提高有机水凝胶传感器的自愈率和机械性能。
[0014]本专利技术提供的有机水凝胶传感器中的第二重网络主要通过静电作用、离子键作用和氢键作用共同构建形成，丙烯酰胺类单体和N
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三羟甲基甲基丙烯酰胺单体中的酰胺基团易形成
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NH3，与其他物质产生静电作用；其次，酰胺基团具有较强的极性，可以与金属盐中的金属离子发生离子键作用；再次，酰胺基还拥有较强的氢键缔合作用。
[0015]本专利技术将动态可逆的氢键缔合作用引入水凝胶体系中，具有共价交联作用所不具有的可逆性，可以代替传统的共价交联作为“牺牲键”，在外力的作用下通过破坏氢键自身来耗散能量，从而赋予有机水凝胶传感器高强度、高粘附和高愈合能力。此外，通过静电作用和离子键作用使得有机水凝胶传感器中带相反电荷的聚电解质形成聚离子络合物，用作永久性交联，从而设计出了物理和化学交联的第二重网络。
[0016]本专利技术采用丙烯酰胺单体和N
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三羟甲基甲基丙烯酰胺单体两种聚合物单体作为水凝胶原料，两种聚合物单体中均含有碳碳双键和酰胺基，碳碳双键断裂后通过聚合反应，在静电作用、离子键作用和氢键作用的三重机制下生成具有三维网状的第二重网络。其反应原理为：在光引发剂的作用下，丙烯酰胺单体的双键与N
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三羟甲基甲基丙烯酰胺单体的双键断裂，在特定波长的光照射下发生聚合反应，形成N
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[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺
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共丙烯酰胺聚合物，聚合物分子链在纤维素纳米纤维、金属盐和多元醇的作用下发生交联反应，通过物理缠绕形成三维网状结构。
[0017]本专利技术中，第一重网络具有刚性，可以作为有机水凝胶传感器的骨架机构，为有机水凝胶传感器提供力学强度；第二重网络具有柔性，可以作为第一重网络的弹性基质，通过与第一重网络的化学交联作用和物理交联作用，保证有机水凝胶传感器具有足够机械性能
的基础上也赋予了有机水凝胶传感器足够的柔韧性。
[0018]其中，化学交联作用表现在：第一重网络表面丰富的羟基与第二重网络的羧基之间形成氢键结合，增强了两种网络结构的分子链段之间的界面相容性、对能量的耗散能力和变形恢复能力。当有机水凝胶传感器受力变形时，异种特性的网络结构之间的氢键以及同种特性的网络结构内部的氢键可以有效阻止裂纹生长，保持水凝胶整体网络结构的完整，更加有效地转移消散集中应力。
[0019]物理交联作用表现在：在有机水凝胶传感器的溶胀过程中，第一重网络和第二重网络的分子链相互缠结，形成了微相分离的互穿网络结构，两种不同特性的分子链同时互穿缠结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粘附自愈合有机水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：水、纤维素纳米纤维、金属盐、多元醇、丙烯酰胺类单体、N
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三羟甲基甲基丙烯酰胺单体和光引发剂混合得到混合液，采用特定波长的光照射所述混合液，得到所述粘附自愈合有机水凝胶传感器。2.根据权利要求1所述的粘附自愈合有机水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述混合液的配制过程包括：水和多元醇混合得到第一混合液，丙烯酰胺类单体、N
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三羟甲基甲基丙烯酰胺单体、纤维素纳米纤维、金属盐和第一混合液混合得到第二混合液，第二混合液与光引发剂混合得到所述混合液。3.根据权利要求2所述的粘附自愈合有机水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，在所述第一混合液中，所述水和所述多元醇的质量比为1:(0.5
‑
0.8)。4.根据权利要求2所述的粘附自愈合有机水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，在所述第二混合液中，所述丙烯酰胺类单体、所述N
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三羟甲基甲基丙烯酰胺单体、所述纤维素纳米纤维和所述金属盐的质量比为1:(1
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2):(0.008
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0.02):(0.5
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1)；在所述第二混合液中，所述丙烯酰胺类单体与所述水的质量比为(0.3
‑
0.5):1。5.根据权利要求1至4任一项所述的粘附自...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏荣欣，闪璨璨，黄仁亮，刘朝辉，崔美，
申请(专利权)人：宁波永续新材料有限公司天津大学，
类型：发明
国别省市：