[发明专利]基于导电水凝胶的柔性应变传感器及其制备方法、应用

说明书

本发明公开了一种基于导电水凝胶的柔性应变传感器及其制备方法、应用。柔性应变传感器的一层导电水凝胶夹在两层铜箔电极片之间。制备方法包括：使用氧化石墨烯、海藻酸钠和甲基丙烯酰胺制备预聚体溶液，将预聚体溶液加热聚合成聚合水凝胶，浸泡在氯化钙溶液中，浸泡完成后冲洗然后浸泡在去离子水中，充分吸水后达到溶胀平衡状态，得到导电水凝胶；将三层封装并组成基于导电水凝胶的柔性应变传感器。本发明传感器应用在柔性可穿戴电子设备上，监测人体不同部位运动时变形产生的压力导致的相对电阻变化，具有灵敏度高、检测极限低、检测范围广、线性度好以及出色的稳定性等优点，可以有效拓宽柔性可穿戴器件的实际应用。

技术领域

本发明涉及了一种柔性应变传感器，具体涉及一种基于导电水凝胶的柔性应变传感器及其制备方法、应用。

背景技术

海藻酸钠作为从藻类中提取的一种多糖具有优秀的生物相容性，已经在食品药品等领域得到广泛的应用，同时它具有丰富的羧基，可以与其他材料的氨基发生作用产生氢键，使其备受关注。氧化石墨烯则是石墨烯的氧化物，具有典型的准二维空间结构，其片层上含有丰富的含氧官能团，具有超高的比表面积、良好的亲水性和机械性能等优点。导电水凝胶是将导电材料与水凝胶的三维网络结构结合起来的一种智能水凝胶，因此它能够兼具导体的电学性能和水凝胶的机械性能，可以模拟人体皮肤的机械和感官特性，在医疗健康、运动健身和人机界面等领域具有极大的发展前景。

水凝胶类的柔性应变传感器在传统的柔性基底上具备更好的生物相容性、柔韧性和可调节的杨氏模量等优点，但是现有的导电纳米材料水凝胶类柔性应变传感器普遍存在易破损、无法兼顾高强度和自愈合性能、可靠性低等缺点。

发明内容

本发明所提供一种基于导电水凝胶的柔性应变传感器及其制备方法、应用。针对柔性应变传感器柔韧性差、灵敏度低、检测范围小等问题，提供了一种制备不含化学交联剂的GO/SA/PMAAm/Ca²⁺导电水凝胶的简便方法，并基于该导电水凝胶制成柔性应变传感器，该柔性应变传感器具有灵敏度高、检测极限低、检测范围广、线性度好以及出色的稳定性等优点，可以有效拓宽柔性可穿戴器件的实际应用。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于导电水凝胶制备的柔性应变传感器：

柔性应变传感器包括两层铜箔电极片和一层导电水凝胶，一层导电水凝胶夹在两层铜箔电极片之间；两层铜箔电极片分别引出两根导线并连接外部信号采集设备。

二、一种柔性应变传感器的制备方法：

方法包括如下步骤：

1)导电水凝胶的制备：

制备预聚体溶液：将氧化石墨烯分散液溶解于去离子水中稀释获得稀释氧化石墨烯分散液；将海藻酸钠粉末溶解于稀释氧化石墨烯分散液中，常温下搅拌至完全溶胀后再加热搅拌，获得氧化石墨烯/海藻酸钠溶液；将甲基丙烯酰胺颗粒溶解于氧化石墨烯/海藻酸钠溶液中，常温搅拌后获得氧化石墨烯/海藻酸钠/甲基丙烯酰胺溶液；将热引发剂过硫酸钾溶解于氧化石墨烯/海藻酸钠/甲基丙烯酰胺溶液中，搅拌后抽真空去除气泡后获得均一的预聚体溶液。

制备导电水凝胶：使用注射针筒抽取10ml预聚体溶液并缓慢注射到玻璃模具中，注射时需注意避免产生小气泡影响制得的水凝胶性能，使用封口膜将玻璃模具封口阻止空气进入；将玻璃模具置于电热恒温鼓风干燥箱内加热聚合后取出，然后取出玻璃模具中已聚合完成的聚合水凝胶；将聚合水凝胶浸泡在氯化钙溶液中，浸泡完成后使用去离子水将聚合水凝胶进行冲洗，冲洗后浸泡在去离子水中充分吸水后达到溶胀平衡状态，得到导电水凝胶块，将导电水凝胶块均匀划分后获得若干片状的导电水凝胶。

2)柔性应变传感器的制备：

按照铜箔电极片、导电水凝胶、铜箔电极片的顺序，使用VHB胶带将三层封装并组成基于导电水凝胶的柔性应变传感器，两层铜箔电极片分别引出两根导线并连接外部信号采集设备。