一种超低检测限应变传感有机水凝胶纤维及其制备方法与应用技术

一种超低检测限应变传感有机水凝胶纤维及其制备方法与应用，包括将聚乙烯醇和苯胺四聚体的水/有机混合溶液与海藻酸钠进行同轴湿法纺丝，随后将皮芯结构的有机水凝胶纤维置于冷冻液(干冰或液氮)中冷冻结晶组装交联、并在一段时间后转移至冰柜中进一步交联，最后去除“皮”结构，得到“芯”结构聚乙烯醇

【技术实现步骤摘要】
一种超低检测限应变传感有机水凝胶纤维及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于柔性可穿戴电子器件材料的
，具体涉及一种超低检测限应变传感有机水凝胶纤维及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]近年来，可穿戴应变传感器作为一种将应变转换为电信号的电子器件，在人体运动监测、健康管理和人机交互等领域得到广泛关注。具有高灵敏度和宽检测范围的应变传感器不仅适用于监测大幅度的人体运动(形变大于50％)，同时可用于微小运动如脉搏监测(形变小于1％)，受到人们的广泛关注。
[0003]有机水凝胶是一种具有三维网络结构和优良机械性能的柔性材料，其优异的生物相容性、可调控的弹性和一定的离子导电性使其被广泛用作基底或功能材料来集成柔软、高弹、高灵敏度的应变传感器，是目前用于构建高性能柔性可穿戴应变传感器的理想材料之一。纤维状有机水凝胶的可编织性使其在可穿戴器件中具有独特的优势，如与衣物具有较好的整合性且透气性优异等。然而，因有机凝胶的离子均匀地分布在体系中，其对微小应变的检测往往不够理想，很难达到0.01％的超低检测限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高强韧、高应变灵敏、超低检测限有机水凝胶纤维及其制备方法与应用。
[0005]一种超低检测限应变传感有机水凝胶纤维的制备方法，包括如下步骤：
[0006]步骤(1)：制备溶液A：将聚乙烯醇基体、酸溶液溶于去离子水中，室温保存；制备溶液B：苯胺四聚体单体溶于有机溶剂，室温保存；溶液C：海藻酸钠溶于去离子水中，得到“皮”固化用溶液，将其注入注射器中备用；
[0007]步骤(2)：将溶液A与溶液B混合搅拌均匀得到混合纺丝原液，将原液注入注射器中作“芯”溶液备用；
[0008]步骤(3)：将上述步骤(2)得到的产物与溶液C进行同轴湿法纺丝，挤出到溶有非氧化性二价和三价金属盐的凝固浴中，得到皮芯结构的有机水凝胶纤维。
[0009]步骤(4)：将上述制备的有机水凝胶纤维牵引至冰冻液(干冰或液氮)中冰冻，并转移至冰柜中进行交联反应；
[0010]步骤(5)：待反应完成后取出冻凝胶纤维解冻得皮芯结构有机水凝胶纤维，并采用柠檬酸盐将“皮”结构溶解，得到“芯”结构有机水凝胶纤维。
[0011]步骤(6)：将“芯”结构有机水凝胶纤维转入有机溶剂/酸溶液中浸泡数小时，取出后在室温下达到失水平衡，得到可拉伸性、弹性导电有机水凝胶纤维。
[0012]优选的是，本专利技术步骤(1)中的聚乙烯醇基体溶液为含有1～20wt％的聚乙烯醇水溶液。
[0013]优选的是，本专利技术步骤(1)中的酸溶液为0.1～6mol/L的盐酸，硫酸、磷酸或硝酸溶液中的一种或几种。
[0014]优选的是，本专利技术步骤(1)中的有机溶剂为乙二醇、丙三醇、戊二醇、丙酮、甲醇中的一种或多种溶液，苯胺四聚体单体溶于有机溶剂的浓度为0.5～100mg/ml。
[0015]优选的是，本专利技术步骤(1)中海藻酸钠的浓度为1～40wt％
[0016]优选的是，本专利技术步骤(3)中的非氧化性二价和三价金属盐为：CaCl2、BaCl2和AlCl3中的一种或几种，浓度为0.05～0.5mol/L。
[0017]优选的是，本专利技术步骤(4)中在冷冻液中交联反应时间为0.5～96h。
[0018]优选的是，本专利技术步骤(4)中的冰柜解冻温度为
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80～25℃，时间为1～96h。
[0019]优选的是，本专利技术步骤(5)中的柠檬酸盐为柠檬酸钾、柠檬酸钠中的一种或两种，其浓度为：0.05～1.0mol/L
[0020]优选的是，本专利技术步骤(6)中的有机溶剂/酸溶液为乙二醇、丙三醇、戊二醇、丙酮、甲醇/盐酸，硫酸、磷酸或硝酸中的一种或多种混合溶液，浸泡时间为0.5～96h。
[0021]一种根据本专利技术的制备方法制得的超低检测限应变传感有机水凝胶纤维。
[0022]一种根据本专利技术的制备方法制得的超低检测限应变传感有机水凝胶纤维在柔性材料中的应用。
[0023]本专利技术采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：
[0024](1)本专利技术采用湿法纺丝工艺结合一步冷冻
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解冻法，同轴纺织皮芯结构有机水凝胶纤维，该软模板法打破了模具法的限制，可灵活调控纤维直径以及实现批量生产。并且基于氢键作用使聚乙烯醇、苯胺四聚体分子间快速交联形成了有机水凝胶纤维，该制备过程简单，易于操作，活性物质量易调控，明显优于传统原位合成或者后生长的制备方法。
[0025](2)苯胺四聚体自组装成高长径比的纳米纤维与聚乙烯醇交联，形成三维纳米纤维网络结构，赋予了有机水凝胶竞争性的离子传导机制，使得有机水凝胶纤维具有高强韧、高应变灵敏和超低检测限(0.01％)性质，在小应变和大应变下都能重复获取稳定的电信号，因此在人体各关节的运动监测方面具有应用前景。
[0026](3)本体系加入的有机溶剂起到了溶解苯胺四聚体和交联聚乙烯醇的双重作用，制备所得的水凝胶纤维具有优良的保湿性和抗冻性，拓展了凝胶在寒冷干燥环境下的使用。
[0027](4)本专利技术制备的高弹性有机水凝胶纤维，具有优良的弹性、拉伸性、低检测限、宽检测范围、高应变灵敏以及抗冻保湿性。
附图说明
[0028]图1为本专利技术得到的有机水凝胶纤维的样品图。
[0029]图2为本专利技术实施例1得到的有机水凝胶纤维的扫描电子显微镜图片。
[0030]图3本专利技术各实施例得到的有机水凝胶纤维的力学与弹性性能图。
[0031]图4为本专利技术实施例2得到的有机水凝胶纤维室温下的低检测限传感性能图。
[0032]图5为本专利技术实施例2得到的有机水凝胶纤维室温下的灵敏度图。
[0033]图6为本专利技术实施例2得到的有机水凝胶纤维的低温
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40℃灵敏度图。
[0034]图7为本专利技术实施例3得到的有机水凝胶纤维室温下的灵敏度图。
[0035]图8为本专利技术实施例3中有机水凝胶纤维人体器官小应变传感信号图。
[0036]图9为本专利技术实施例3中有机水凝胶纤维人体器官大应变传感信号图。
[0037]图10为本专利技术实施例4中有机水凝胶纤维对成年女性运动前后脉搏跳动监测。
[0038]图11为本专利技术实施例5中有机水凝胶纤维进行摩尔斯加密解密应用。
具体实施方式
[0039]一种超低检测限应变传感有机水凝胶纤维的制备方法，包括如下步骤：
[0040]步骤(1)：制备溶液A：将聚乙烯醇基体、酸溶液溶于去离子水中，室温保存；聚乙烯醇基体溶液为含有1～20wt％的聚乙烯醇水溶液；酸溶液为0.1～6mol/L的盐酸，硫酸、磷酸或硝酸溶液中的一种或几种；
[0041]制备溶液B：苯胺四聚体单体溶于有机溶剂，室温保存；有机溶剂为乙二醇、丙三醇、戊二醇、丙酮、甲醇中的一种或多种溶液，苯胺四聚体单体溶于有机溶剂的浓度为0.5～100mg/ml；
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超低检测限应变传感有机水凝胶纤维的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(1)：制备溶液A：将聚乙烯醇基体、酸溶液溶于去离子水中，室温保存；制备溶液B：苯胺四聚体单体溶于有机溶剂，室温保存；制备溶液C：海藻酸钠溶于去离子水中，得到“皮”固化用溶液，注入注射器中备用；步骤(2)：将溶液A与溶液B混合搅拌均匀得到混合纺丝原液，将原液注入注射器中作“芯”溶液备用；步骤(3)：将步骤(2)得到的产物与C溶液进行同轴湿法纺丝，挤出到溶有非氧化性二价和三价金属盐的凝固浴中，得到皮芯结构的有机水凝胶纤维；步骤(4)：将上述步骤(3)制备的有机水凝胶纤维牵引至冰冻液中冰冻，并转移至冰柜中进行交联反应；步骤(5)：待反应完成后取出冻凝胶纤维解冻得皮芯结构有机水凝胶纤维，并采用柠檬酸盐将“皮”结构溶解，得到“芯”结构有机水凝胶纤维。步骤(6)：将“芯”结构有机水凝胶纤维转入有机溶剂/酸溶液中浸泡数小时，取出后在室温下达到失水平衡，得到有机水凝胶纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的聚乙烯醇基体溶液为含有1～20wt％的聚乙烯醇水溶液；酸溶液为0.1～6mol/L的盐酸，硫酸、磷酸或硝酸溶液中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的有机溶剂为乙二醇、丙三醇、戊二醇、丙酮、甲醇中的一种或多种溶液，苯胺...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕伟，陈竹君，廖耀祖，刘贺，林昕仪明，梅先明，
申请(专利权)人：腾飞科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：