本發(fā)明屬于智能軟材料領(lǐng)域，具體涉及一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的共晶導(dǎo)電共晶凝膠及其制備方法，還涉及該導(dǎo)電共晶凝膠的傳感應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、水凝膠是一類(lèi)含有大量水且具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的高分子材料，因其與生物組織的相似性以及在電氣、機(jī)械和生物工程方面的多功能性，在可穿戴電子器件領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。柔性電子材料近年來(lái)得到了快速的發(fā)展，其中導(dǎo)電水凝膠由于其突出的導(dǎo)電性、柔韌性、仿生結(jié)構(gòu)、生物相容性、良好的機(jī)械順應(yīng)性、電信號(hào)的刺激響應(yīng)性等在柔性電子領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。然而，類(lèi)似于傳統(tǒng)的水凝膠，大多數(shù)導(dǎo)電水凝膠在極端環(huán)境下仍面臨應(yīng)用受限的瓶頸問(wèn)題，如當(dāng)處于惡劣環(huán)境下或受反復(fù)的彎曲和拉伸時(shí)是否還能傳輸穩(wěn)定的電信號(hào)、是否可以長(zhǎng)期使用等。此類(lèi)穩(wěn)定性問(wèn)題的解決對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)導(dǎo)電水凝膠在柔性電子材料領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的制備方法；該方法通過(guò)合理的分子設(shè)計(jì)，構(gòu)建一種含有共晶導(dǎo)電劑的pva-paa-pda-des水凝膠，其中聚合物單體(aa)和pva構(gòu)成的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為共晶凝膠提供良好的力學(xué)性能，同時(shí)還可以提高粘附性能，pda可以提高凝膠體系的粘附性能、光熱轉(zhuǎn)換效率和光熱抗菌能力，共晶導(dǎo)電劑可以提高水凝膠的抗凍保水性能以及人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)變傳感導(dǎo)電性能。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述制備方法制備得到的具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠。

3、本發(fā)明的再一目的在于提供一種上述具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的應(yīng)用。

4、本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

5、一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的制備方法，包括以下操作步驟：

6、(1)通過(guò)溶液氧化法，將鹽酸多巴胺、過(guò)硫酸銨、無(wú)水乙醇和純水配制成鹽酸多巴胺乙醇/水混合溶液，用堿液調(diào)節(jié)鹽酸多巴胺乙醇/水混合溶液的ph值，攪拌反應(yīng)，鹽酸多巴胺氧化自聚合形成聚多巴胺納米顆粒，經(jīng)洗滌劑離心洗滌、冷凍干燥，得到聚多巴胺凍干粉；再將聚多巴胺凍干粉配制成聚多巴胺水溶液；

7、(2)向純水中加入聚乙烯醇，室溫中攪拌至聚乙烯醇溶脹后，熱水浴中攪拌至溶解，配制5-15wt％濃度的聚乙烯醇溶液；

8、(3)向步驟(2)所得聚乙烯醇溶液中加入體積百分比為0.2-1vol％的乙二醇(eg)和0-1vol％的導(dǎo)電劑，室溫?cái)嚢?2-36h，得到共晶導(dǎo)電劑；

9、(4)采用一鍋混合法，將步驟(1)所得聚多巴胺水溶液、聚合物單體、交聯(lián)劑以及引發(fā)劑加入到步驟(3)所得共晶導(dǎo)電劑中，混合均勻得到凝膠預(yù)聚液；將凝膠預(yù)聚液填充到模具中，加熱誘導(dǎo)聚合，得到具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的共晶導(dǎo)電共晶凝膠。

10、步驟(1)所述ph值是調(diào)節(jié)至9-12；所述攪拌反應(yīng)的溫度為20-40℃，反應(yīng)的時(shí)間12-36h，攪拌的轉(zhuǎn)速為300-800rpm；所述堿液為氨水、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液或碳酸氫鈉溶液；所述洗滌劑為純水和無(wú)水乙醇。

11、步驟(1)所述鹽酸多巴胺與過(guò)硫酸胺的摩爾比為2:1；所述無(wú)水乙醇和純水的體積比為2:7。

12、步驟(2)所述室溫為10-30℃，所述熱水浴的溫度為80-90℃。

13、步驟(3)所述聚乙烯醇溶液中加入體積百分比為0.27vol％的乙二醇和0.06vol％的導(dǎo)電劑。

14、步驟(3)所述室溫為10-30℃，所述攪拌的轉(zhuǎn)速為300-800rpm。

15、步驟(3)所述導(dǎo)電劑為氯化鋰、氯化鋅、氯化鎂、氯化鐵和氯化鋁中的一種。

16、步驟(4)所述聚合物單體為丙烯酰胺和丙烯酸中的一種；所述交聯(lián)劑為n，n’-亞甲基雙丙烯酰胺、雙丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯；所述引發(fā)劑為過(guò)硫酸鉀或過(guò)硫酸銨。

17、步驟(4)所述聚多巴胺水溶液中的聚多巴胺用量為凝膠預(yù)聚液的6-7wt％；所述聚合物單體用量為凝膠預(yù)聚液的10-15wt％；所述共晶導(dǎo)電劑用量為凝膠預(yù)聚液的10-50wt％；所述交聯(lián)劑用量為凝膠預(yù)聚液的0.01-0.05wt％；所述引發(fā)劑用量為凝膠預(yù)聚液的0.1-0.5wt％；所述加熱誘導(dǎo)聚合是在70-90℃下加熱30-90min。

18、步驟(4)所述模具是正方形或長(zhǎng)方形的聚四氟乙烯或硅膠模具；所述將預(yù)聚液填充到模具中是通過(guò)控制預(yù)聚液添加量控制最終所得共晶凝膠的厚度。

19、一種由上述的制備方法制備得到的具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠。

20、上述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠作為導(dǎo)體在傳感器中的應(yīng)用。

21、上述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠在穿戴設(shè)備、醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)設(shè)備或人機(jī)交互設(shè)備中實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。

22、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

23、(1)本發(fā)明具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠所用的導(dǎo)電填料為共晶導(dǎo)電劑，其兼?zhèn)鋬?yōu)異的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和耐久性。最終制備的共晶凝膠擁有1.34s/m的高電導(dǎo)率，在室溫下存儲(chǔ)一個(gè)月后仍可保持0.6s/m的電導(dǎo)率，且應(yīng)用溫度廣。

24、(2)本發(fā)明具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠作為柔性傳感器應(yīng)用具有靈敏度高、應(yīng)變監(jiān)測(cè)范圍寬、應(yīng)用溫度范圍廣、循環(huán)穩(wěn)定性好，且導(dǎo)電填料綠色無(wú)毒，制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，在高低溫惡劣環(huán)境監(jiān)測(cè)、人體健康監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有很大潛力。

技術(shù)特征：

1.一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的制備方法，其特征在于包括以下操作步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(1)所述ph值是調(diào)節(jié)至9-12；所述攪拌反應(yīng)的溫度為20-40℃，反應(yīng)的時(shí)間12-36h，攪拌的轉(zhuǎn)速為300-800rpm；所述堿液為氨水、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液或碳酸氫鈉溶液；所述洗滌劑為純水和無(wú)水乙醇。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(1)所述鹽酸多巴胺與過(guò)硫酸胺的摩爾比為2:1；所述無(wú)水乙醇和純水的體積比為2:7；步驟(3)所述聚乙烯醇溶液中加入體積百分比為0.27vol％的乙二醇和0.06vol％的導(dǎo)電劑。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(2)所述室溫為10-30℃，所述熱水浴的溫度為80-90℃；步驟(3)所述室溫為10-30℃，所述攪拌的轉(zhuǎn)速為300-800rpm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(3)所述導(dǎo)電劑為氯化鋰、氯化鋅、氯化鎂、氯化鐵和氯化鋁中的一種；步驟(4)所述聚合物單體為丙烯酰胺和丙烯酸中的一種；所述交聯(lián)劑為n，n’-亞甲基雙丙烯酰胺、雙丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯；所述引發(fā)劑為過(guò)硫酸鉀或過(guò)硫酸銨。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(4)所述聚多巴胺水溶液中的聚多巴胺用量為凝膠預(yù)聚液的6-7wt％；所述聚合物單體用量為凝膠預(yù)聚液的10-15wt％；所述共晶導(dǎo)電劑用量為凝膠預(yù)聚液的10-50wt％；所述交聯(lián)劑用量為凝膠預(yù)聚液的0.01-0.05wt％；所述引發(fā)劑用量為凝膠預(yù)聚液的0.1-0.5wt％；所述加熱誘導(dǎo)聚合是在70-90℃下加熱30-90min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(4)所述模具是正方形或長(zhǎng)方形的聚四氟乙烯或硅膠模具；所述將預(yù)聚液填充到模具中是通過(guò)控制預(yù)聚液添加量控制最終所得共晶凝膠的厚度。

8.一種由權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠作為導(dǎo)體在傳感器中的應(yīng)用。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠在穿戴設(shè)備、醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)設(shè)備或人機(jī)交互設(shè)備中實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于智能軟材料領(lǐng)域，公開(kāi)了一種具有自粘附、寬溫應(yīng)變傳感且高靈敏度的導(dǎo)電共晶凝膠及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明所述共晶凝膠由聚多巴胺、聚乙烯醇、聚合物單體、共晶導(dǎo)電劑(乙二醇和導(dǎo)電劑加入聚乙烯醇溶液中攪拌制備而成)、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和水組成。本發(fā)明通過(guò)應(yīng)變傳感相關(guān)測(cè)試，證明此凝膠具優(yōu)異的靈敏度和應(yīng)變傳感性能，在高低溫惡劣環(huán)境監(jiān)測(cè)、人體健康監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

技術(shù)研發(fā)人員：林文靜,張嘉瑩,易國(guó)斌,李智慧,李佳鑫,陳鐸衢,吳裕玲,程昶
受保護(hù)的技術(shù)使用者：化學(xué)與精細(xì)化工廣東省實(shí)驗(yàn)室揭陽(yáng)分中心
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23