[发明专利]一种基于超拉伸可穿戴多功能水凝胶的摩擦纳米发电机构建方法与智能应用

说明书

本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶电极构建的单电极模式摩擦电传感器及制备方法和应用。所述摩擦电传感器采用单电极模式进行构建，VHB薄膜作为摩擦层，柔性多功能水凝胶作为电极。所述摩擦电传感器应用于摩擦发电文字识别检测系统，所述摩擦发电运动检测系统可用于检测文字书写信号的特征，结合卷积神经网络(CNN)分类模型可实现文字信号的精确识别。本发明提出的这种基于摩擦电的运动检测传感器具有更快的响应速度和更好的分辨能力，通过摩擦电传感器把外部机械刺激转化为对应强度的电脉冲，不需要电池供电，避免传感器对电池电源的依赖。

技术领域

本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶和单电极模式摩擦电传感器及制备方法和应用。

背景技术

目前随着物联网，人机交互等技术的发展，可穿戴电子器件的也随之推动前进。可穿戴电子器件不仅可以模仿人体皮肤的柔韧性、柔软度和感官表现，还可以将外部刺激转化为电信号。现在各个领域有着飞速的发展，如电子皮肤，软晶体管等。可穿戴电子器件可以直接穿戴于人体表面对人体信号进行监测，从而对人体行为进行分析。但是可穿戴电子器件也存在电量供给方面的问题，目前的电源模块仍然存在刚性、非柔性，特别是需要循环充电和更换的问题，严重限制了其广泛应用。

因此针对于此可以采用摩擦纳米发电机(TENGs)技术对电子器件进行供电，可拉伸摩擦电纳米发电机是一种很有前途的创新技术，可以将包括人类活动以及机械变化在内的各种机械能转化为电能。摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外接导线的传输通路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机可以从许多方面获得能量的输入，包括自然界的能量以及人体运动等能量。

由于可拉伸摩擦纳米发电机具有重量轻、材料选择丰富、电压输出高、延展性强等优点，在可穿戴电子领域作为绿色电源和自供电电子具有巨大的开发潜力。而作为可拉伸的摩擦纳米发电机需要摩擦层以及电极层均具有良好的延展性，因此，探索用于柔性摩擦纳米发电机的高性能材料迫在眉睫。与传统金属电极相比，导电水凝胶因其优异的拉伸性、良好的生物相容性、导电性能以及与人体软组织的相似性而成为新兴的柔性材料，已应用于超级电容器等电子产品，生理传感器，水凝胶应变传感器，摩擦电纳米发电机等。作为典型的固体状软材料，水凝胶中填充有大量游离水，且在其中3D交联亲水聚合物链网络作为骨架。通过在水凝胶基质中引入适当的导电材料，可以控制水凝胶的电导率，改善水凝胶的电学性能，从而使水凝胶适合直接用作应变传感器和可穿戴电子设备的传感材料。到目前为止，已经将各种导电材料掺入水凝胶中以制备导电水凝胶，例如无机纳米颗粒/纳米线，碳基纳米材料，导电聚合物等。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶和单电极模式摩擦电传感器及制备方法和应用，利用一锅法制备柔性水凝胶电极，作为摩擦纳米发电机的输出电极，使用VHB胶带对其进行封装，VHB胶带不仅可以作为摩擦纳米发电机的摩擦层，也可以作为保护层，用于水凝胶电极的保护，防止水分过度蒸发保证水凝胶电极的柔韧性。基于水凝胶电极以及封装后的摩擦纳米发电机，将其用于人体运动信号监测和文字书写信号监测；结合配套搭建的一维卷积深度学习网络，该传感器还可用于文字信号分类识别，整体正确率高于97％。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶，所述水凝胶由聚丙烯酰胺、HPMC和MXene组成，其中MXene为导电材料，HPMC和MXene使水凝胶形成双网状结构，增强了水凝胶的稳定性及应变性能和回收性能。

基于丙烯酰胺的柔性多功能水凝胶的制备方法，制备步骤包括：