[发明专利]高性能聚离子液体凝胶、多模式柔性传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高拉伸性和高韧性聚离子液体凝胶，它是以单卤代烷烃与乙烯基咪唑为主要原料，采用超声辅助法和溶胀法制备得到的水凝胶。本发明还公开了一种基于高拉伸性和高韧性聚离子液体凝胶的多模式柔性传感器，它是将聚离子液体凝胶与电极连接后，采用医用聚氨酯薄膜胶带封装得到的多模式柔性传感器。本发明多模式柔性传感器具有出色的应力和温度灵敏度，可实现多模式传感，可用于对人体运动状态的实时监控和对人体体温的检测。水凝胶内丰富的邻苯二酚基团可确保其贴附在人体更精准的采集人体信号。本发明多模式柔性传感器可广泛应用于电子皮肤、智能机器人、人工肌肉、运动检测等领域，制备检测拉伸、弯曲应力和温度至少一种变化的设备。

技术领域

本发明涉及一种高拉伸性和高韧性聚离子液体凝胶及其制备方法，以及基于高拉伸性和高韧性聚离子液体凝胶的多模式柔性传感器，以及该高拉伸性、高韧性、热响应特性和粘附性的柔性传感器在制备运动监控、表情识别和温度检测等方面设备中的应用，尤其是涉及到柔性传感器在运动状态监控、运动数据分析、运动损伤康复和电子皮肤等众多领域的应用。

背景技术

近年来，柔性可穿戴设备引起了广泛的研究兴趣，特别是在智能终端、仿生电子皮肤、假肢置换和健康监测等方面显示出巨大的市场潜力。柔性电子传感器是柔性可穿戴设备最重要的组成部分。与传统的刚性传感器相比，柔性电子传感器具有出色的柔韧性、可拉伸性和保形性，可以轻松附着在各种形状的表面上，实现大范围运动幅度的运动感知。商业化柔性基板的固有毒性和较差的可拉伸性限制了它们在生物体中的应用，并限制了它们在湿度和温度下的触觉感知。因此，迫切需要具有可调机械性能，出色的生物相容性和多模式响应的柔性电子器件。

独特三维(3D)亲水聚合物网络的水凝胶，具有优异的生物相容性和降解性，在生物伤口敷料、药物输送、传感器、致动器和柔性储能等领域具有广阔的应用前景。但目前市场上的水凝胶普遍存在着拉伸性低、韧性差的缺点，而且不具备粘附性和多模式响应。这就导致水凝胶很难贴附在人体来感测剧烈人体运动(手指弯曲、手腕弯曲和膝盖活动)，并且无法对温度等维度进行感测。聚离子液体水凝胶是由离子液体与各种有机单体共聚而成的一种离子导电聚合物网络。它继承了离子液体的高离子电导率、化学稳定性和生物相容性，并显示出高液体保留能力以避免离子液体泄漏。此外，在聚离子液体中加入特定功能化单体是制备高性能多模式离子凝胶的候选方案。

发明内容

本发明的目的是针对目前柔性传感器普遍存在的拉伸性低、韧性差、检测范围窄、无粘附性、无法实现多模式响应等缺点，提供了一种采用超声辅助法和溶胀法制备的成本低廉的聚离子液体凝胶以及基于聚离子液体凝胶的多模式柔性传感器，聚离子液体凝胶和多模式柔性传感器具有高拉伸性、高韧性、出色的热响应性和粘附性等优点，可以有效拓宽柔性可穿戴器件在实际中的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高拉伸性和高韧性聚离子液体凝胶，它是以单卤代烷烃与乙烯基咪唑为主要原料，采用超声辅助法和溶胀法制备得到的高拉伸性和高韧性的水凝胶。

优选的，所述的高拉伸性和高韧性聚离子液体凝胶是由以下方法制得的：在搅拌下，将单卤代烷烃与乙烯基咪唑混合，-20℃～0℃低温反应，得到乙烯基咪唑类离子液体；在搅拌下，将乙烯基咪唑类离子液体加入超纯水中，再超声分散至形成白色均相溶液，得到离子液体水溶液；将丙烯酰胺、邻苯二酚类化合物、贵金属纳米材料、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和硼砂、引发剂溶于离子液体水溶液中，超声分散得到凝胶前驱液；往凝胶前驱液中鼓入氮气除去氧气；超声40℃～70℃水浴，得到单网络聚离子液体凝胶；单网络聚离子液体凝胶自然失水到原重量的3/4～1/2，再浸泡在丙烯酸、交联剂和引发剂的水溶液中，直至吸收溶液恢复到原重量，取出，密封，60℃～80℃加热，得到聚离子液体水凝胶。

本发明的另一个目的是提供一种高拉伸性和高韧性聚离子液体凝胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)、在搅拌下，缓慢的将单卤代烷烃与乙烯基咪唑混合，并在-20℃～0℃低温搅拌反应24～48小时，得到乙烯基咪唑类离子液体；