[发明专利]一种导电水凝胶电极材料及其应用

说明书

本发明公开了一种导电水凝胶电极材料及其应用，由包括丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、可溶性金属无机盐、含双烯的柔性长链化合物、引发剂和水在内的原料经充分混合、真空脱气和固化制成。本发明通过两种特定的聚合物之间结合形成半互穿或互穿的双网络水凝胶，并且添加无机盐或导电高分子复合，使制得的导电水凝胶材料具有良好的机械性能与更高的应变窗口，在微变形下仍能有好的灵敏度，增强了信号的可靠性。

技术领域

本发明属于生物体或软机器人可穿戴传感设备技术领域，具体涉及一种导电水凝胶电极材料及其应用。

背景技术

随着社会生产力和科学技术的不断发展进步，各行各业开始对虚拟现实技术(VR技术)的需求日益增加，VR技术具有沉浸性、交互性等特点，而为了实现人机交互式的效果，需要让可穿戴电子用上更灵敏更贴肤的穿戴式传感器。但是不尽如人意的是，目前广泛应用于各种电路中的导体(如金属、碳基材料、导电复合材料、导电高分子)的拉伸性不好，便携可穿戴效果不理想。因此，开发出像人体皮肤一样可大面积拉压变形并具有感知能力的柔性仿生薄膜器件/传感器迫在眉睫。柔性传感器已经在医疗保健、运动健康检测、植入式装置、娱乐游戏、未来物联网、软体机器人和人工智能AI等领域中表现出潜在的应用价值，并且其功能化、小型化与模块化的研究越来越受到重视，使可穿戴或植入式电子产品成为可能。

导电凝胶作为一种新型的功能材料，在制造软电子器件领域备受关注。导电凝胶根据导电机理的不同，可分为电子导电凝胶与离子导电凝胶。电子导电凝胶通常是指添加纳米材料或导电聚合物之类电子作为载流子传输电荷的复合导电有机凝胶。复合导电有机凝胶由于添加的导电材料和凝胶基质之间存在的界面相容性差，导致在变形过程中材料内部不协调不可逆的运动，拉伸性能下降，而且电子导电凝胶内部的黏滞变形会引发动态电响应信号而表现出噪音。因此，尽管电子导电凝胶在应变电传感器件中具有普遍认可的高灵敏性，但在应用过程中大部分器件的低信噪比与低响应可靠性的问题限制。

近年来，由于离子水凝胶有高透明度、高伸展性、特定的灵活性和生物相容性，已被开发用于柔性和可伸展性传感器件。目前处于研究阶段的离子型柔性导体的典型制备方式是聚合物基质负载溶解的无机盐(NaCl、LiCl、FeCl₃、ZnSO₄等)来实现的。这些导体主要是由聚合物组成的柔性基体，因此具有高分子材料的延展性、稳定性、高弹性和回弹性等本质特征，在可逆变形过程中可以保持体积电导率，使其应用在离子皮肤、离子电缆、离子触控等领域。通过这种离子导体制备的导电凝胶传感器具有稳定存在的离子传输通道，在外部刺激下确保够及时产生可靠的响应信号，并且制造工艺简单，应用前景广阔。但是由单一的聚合物组成的化学交联聚合物电解质网络在机械性能上往往比较弱，容易出现疲劳，还有应变窗口小的问题，因此现有的离子导电凝胶传感器的感应细微变形的灵敏度不够。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种价格低廉、工艺简单、制备省时高效及工业化方便的导电水凝胶电极材料；

本发明的另一目的在于提供一种应用上述导电水凝胶材料的柔性仿生传感器。

本发明的技术方案如下：

一种导电水凝胶电极材料，由包括丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、可溶性金属无机盐、含双烯的柔性长链化合物、引发剂和水在内的原料经充分混合、真空脱气和固化制成，其中，可溶性金属无机盐为NaCl、KCl、LiCl、ZnSO₄、FeCl₃和NaSO₄中的至少一种，含双烯的柔性长链化合物为N,N-亚甲基双丙烯酰胺或聚乙二醇二丙烯酸酯，引发剂为氧化引发剂或光引发剂，丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、可溶性金属无机盐、含双烯的柔性长链化合物和引发剂的质量比为1-5:0.05-5:0.1-3:0.0005-0.0025:0.008-0.04，水的量为30-70wt％。

在本发明的一个优选实施方案中，所述氧化引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。