一种可自驱动传感的水凝胶基摩擦纳米发电机的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可自驱动传感的水凝胶基摩擦纳米发电机的制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种可自驱动传感的水凝胶基摩擦纳米发电机的制备方法


[0001]本专利技术涉及功能高分子材料和摩擦纳米发电机自驱动传感领域，具体涉及一种三重性能水凝胶的制备方法和可自驱动传感的摩擦纳米发电机的组装方法及其在人体运动方面的传感应用
。

技术介绍

[0002]水凝胶是一种三维网络结构中富含大量水的聚合物材料，在具备固体良好机械性能和可塑性的同时还兼具类似液体的柔韧性和结构流动性
。
因此广泛应用于人机交互
、
导电材料
、
伤口敷料以及污染物吸附等领域
。
但传统水凝胶普遍存在机械性能偏弱，电导率不高，易损坏，使用寿命短等一系列问题，并且由于大量水的存在而无法适应极端温度环境且水分流失后性能影响较大
。
尽管已有较多方案来解决相应问题，诸如利用氢键
、
静电作用
、
金属配位
、
疏水缔合等非共价键以及亚胺键
、
酰腙键
、
硼酸酯键和二硫键等动态可逆共价键来构建自愈合水凝胶以提高使用寿命；通过使用导电聚合物材料
、
添加离子或导电填料以提高水凝胶导电性；使用乙二醇或甘油与水作二元溶剂或添加锂离子来赋予水凝胶抗冻保水性等等
。
但将上述方案在一个体系中同时实现来制备多功能水凝胶仍具有挑战性
。
[0003]鉴于水凝胶良好的柔韧性，导电性和生物相容性，因此在离子皮肤和便携式可穿戴设备等传感领域也有广泛的应用r/>。
但其传感机制是监测水凝胶的电阻变化，需要施加外接电源，这大大降低了其便携性和实用性
。
摩擦纳米发电机作为新型能源收集装置，可有效将机械能转为电能，在使用水凝胶作电极材料时，不仅克服了固性电极的刚性，而且有助于形成双电子层提高其电输出性能
。
因此水凝胶基摩擦纳米发电机有着良好的发展前景与潜在应用价值
。
在传感领域，与水凝胶传感器电阻变化机制不同，而是能够产生不同的输出电压，无需外接电源即可实现自驱动传感，改善了其便捷性，丰富了其实用性
。
[0004]研究发现，使用乙二醇作为氯化锆的溶剂既解决了氯化锆与水剧烈反应后难以分散的问题，同时赋予水凝胶抗冻保水性能；锆离子与木质素磺酸钙纳米颗粒之间的静电作用有助于其分散，而且提高了水凝胶的导电性；最后利用2‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸中的磺酸基团与锆离子发生金属配位反应，大幅提高导电性的同时赋予水凝胶良好的自愈合特性；以此制得三重性能的水凝胶，再进一步组装为摩擦纳米发电机并应用在自驱动传感领域
。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：提供一种可自驱动传感的水凝胶基摩擦纳米发电机的制备方法，包括三重性能水凝胶的制备和摩擦纳米发电机的组装，并将其应用于柔性传感领域，无需外接电源即可将人体运动机械能转为电压输出信号，实现精准便捷的自驱动传感检测
。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]1、
一种可自驱动传感的水凝胶基摩擦纳米发电机的制备方法，所述水凝胶的制备方法，具体制备过程包括以下步骤：
[0008]1)
称取一定量的丙烯酰胺
、2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸溶于去离子水中，然后加入木质素磺酸钙搅拌分散均匀，再滴入微量浓硫酸继续搅拌获得前体溶液；
[0009]2)
将氯化锆加入到乙二醇中，完全溶解后，逐滴加入到步骤
1)
所述前体溶液中，继续搅拌使其混合均匀；
[0010]3)
将步骤
2)
溶液在冰浴条件下加入过硫酸铵和
N
，
N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺，搅拌至其完全溶解；
[0011]4)
将步骤
3)
溶液倒入模具中，使用保鲜膜封口后置于水浴锅中加热反应一定时间后制得水凝胶
。
[0012]所述水凝胶的制备方法，步骤
1)
所述丙烯酰胺的用量为2‑4克，2‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸的用量为
0.5
‑
1.5
克，木质素磺酸钙的用量为
0.05
‑
0.3
克，浓硫酸的用量为
10
‑
50
微升，去离子水的用量为5‑
10
毫升
。
[0013]所述水凝胶的制备方法，步骤
2)
所述氯化锆的用量为
0.06
‑
0.6
克，乙二醇的用量为3‑5毫升
。
[0014]所述水凝胶的制备方法，步骤
3)
所述过硫酸铵的用量为
0.01
‑
0.1
克，
N
，
N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺的用量为0‑
0.01
克
。
[0015]所述水凝胶的制备方法，步骤
4)
所述加热温度为
45
‑
65
摄氏度，反应时间为2‑6小时
。
[0016]2、
一种可自驱动传感的水凝胶基摩擦纳米发电机的制备方法，采用单电极接触分离模式，结构自下而上依次为电介质膜
、
铜导线
、
水凝胶
、
电介质膜
。
[0017]将水凝胶作为电极，选择合适的电介质膜组装可自驱动传感的摩擦纳米发电机，电介质膜选自聚氨酯膜
、
聚氯乙烯膜
、
硅橡胶
、
聚二甲氧基硅烷
、
聚丙烯酸酯双面泡棉胶带中的任意一种
。
具体组装步骤包括：
[0018]1)
选取厚度为1～3毫米的水凝胶作电极，两片电介质膜用作介电层；
[0019]2)
先在电介质膜表面放置一根铜导线，再用水凝胶进行覆盖，最后使用另一片电介质膜紧密铺盖在水凝胶上，制得可自驱动传感的水凝胶基摩擦纳米发电机
。
[0020]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：
[0021]本专利技术制备的水凝胶兼具高导电
、
快自愈和抗冻三重性能，即使受到外部破坏也能自行愈合，在处于零下
20
摄氏度的低温恶劣环境下仍能保持良好的柔韧性和导电性
。
[0022]本专利技术制备的可自驱动传感的水凝胶基摩擦纳米发电机，可根据实际应用需求选择不同的电介质膜，例如具备良好黏附性和拉伸性的聚氨酯膜和丙烯酸酯双面泡棉胶带，具有良好可塑性的硅橡胶和聚二甲氧基硅烷
。
[0023]本专利技术制备的可自驱动传感的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可自驱动传感的水凝胶基摩擦纳米发电机的制备方法，所述水凝胶的制备方法的特征在于：锆离子在木质素磺酸钙和乙二醇协同分散下，与丙烯酰胺和2‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸的共聚网络中的磺酸基团进行配位反应，制备兼具高导电
、
快自愈和抗冻三重性能的水凝胶
。
具体制备过程包括以下步骤：
1)
称取一定量的丙烯酰胺
、2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸溶于去离子水中，然后加入木质素磺酸钙搅拌分散均匀，再滴入微量浓硫酸继续搅拌获得前体溶液；
2)
将氯化锆加入到乙二醇中，完全溶解后，逐滴加入到步骤
1)
所述前体溶液中，继续搅拌使其混合均匀；
3)
将步骤
2)
溶液在冰浴条件下加入过硫酸铵和
N
，
N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺，搅拌至其完全溶解；
4)
将步骤
3)
溶液倒入模具中，使用保鲜膜封口后置于水浴锅中加热反应一定时间后制得水凝胶
。2.
根据权利要求1所述水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤
1)
所述丙烯酰胺的用量为2‑4克，2‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸的用量为
0.5
‑
1.5
克，木质素磺酸钙的用量为
0.05
‑
0.3
克，浓硫酸的用量为
10
‑
50
微升，去离子水的用量为5‑
10
毫升
。3.
根据权利要求1所述水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤
2)

【专利技术属性】
技术研发人员：邵伟，魏新雨，方鸿力，崔智悦，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：