[发明专利]一种用于应变传感器的自黏附导电水凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种用于应变传感器的自黏附导电水凝胶的制备方法，基于邻苯二酚与金属之间的动态氧化还原反应的机制，选用碱木质素、金属盐和羧甲基纤维素‑导电聚合物复合材料调控水凝胶的导电性能与自黏附性能，经羧甲基纤维素乳化的导电聚合物亲水性得到改善，能够在水凝胶中均匀分散，优化后的水凝胶电导率达到3.51 S/m，自黏附性能为20.62 kPa。由该水凝胶所组成的应变传感器可以实现对人体运动的快速响应，有望在可穿戴电子设备领域广泛应用。

技术领域

本发明属于水凝胶传感材料的制备技术领域，具体涉及一种用于应变传感器的自黏附导电水凝胶的制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，可以用于人体并能同时执行多种功能的可穿戴电子设备已经进入人们的生活。但是，目前可穿戴电子设备主要是由刚性的无机材料（如金属、金属氧化物和纳米材料）组成，与人体皮肤的杨氏模量不匹配，在使用时与皮肤难以紧密贴合，从而导致电子设备与皮肤或组织表面之间易发生接触不良等问题，造成信号不稳定、采集数据不可靠。水凝胶是亲水聚合物交联形成的3D网络，由于其优异的亲水性、独特的三维结构、可调的物理和化学性质，使其在柔性可穿戴材料领域有独特的优势。因此，开发一种具有黏附性和导电性，能够与人体皮肤紧密贴合并且具有良好信号传输能力的水凝胶材料至关重要。由于邻苯二酚基团独特的分子结构，其苯环上相邻的羟基可以通过氢键、配位键、共价键和π-π相互作用对人体皮肤、金属等界面产生较强的相互作用力。

CN105906821A的专利文献公开了一种自黏附导电水凝胶的制备方法，首先通过甲基丙烯酸酐化在生物大分子上引入双键得到双键化生物大分子，然后制备聚多巴胺功能化的导电纳米材料，最后制得自黏附导电水凝胶。但由于邻苯二酚基团在空气中容易被氧化，失去自黏附性，所制备的水凝胶不具有持久的自黏附性能。CN115746336A的专利文献公开了一种具有长效自黏附性的导电水凝胶，利用邻苯二酚和银纳米颗粒之间的动态氧化还原反应维持了水凝胶内邻苯二酚基团的数量。导电聚合物木质素-银纳米颗粒具有特殊的共轭结构，其结构由局部σ键和π键组成。当发生聚合时，π键之间的p轨道相互重叠，触发电子重新分布。在离域效应下，离域电子被允许在聚合物主链内自由移动，赋予其优秀的电导率。然而，所制备的导电水凝胶中导电聚合物木质素-银纳米颗粒并不具有较好的亲水性，在水凝胶体系均匀分散困难，进而影响导电水凝胶的导电性能。CN114381020B的专利文献公开了一种高应变可自愈导电水凝胶及其制备方法，属于智能高分子材料技术领域，该高应变可自愈导电水凝胶以甲基丙烯酸和聚乙二醇甲基丙烯酸酯为单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸钾为引发剂，四甲基乙二胺为催化剂，导电物质为聚(3,4-乙烯-二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)，增强剂为羧甲基纤维素，在除氧条件下制备而成。利用以上原料制备的导电水凝胶具有良好的导电性能及柔韧性，同时导电水凝胶自黏附力强，可自愈合，可用于构筑较高传感灵敏度的柔性传感器。然而，使用的导电物质聚(3,4-乙烯-二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)导电性能相对较差且制备工艺繁琐，条件苛刻，一定程度上增加了合成水凝胶材料的成本。

CN109251449B的专利文献公开了一种聚吡咯导电水凝胶的制备方法，为水凝胶应变传感器应用于可穿戴电子设备领域提供了新思路和新方法。然而，导电水凝胶中导电聚合物因高度的π键共轭结构和主链上的芳香环的存在使得它们本质上是刚性疏水的，在水凝胶中存在着难以均匀分散的问题，导致水凝胶的导电性能相对较差。CN115287777A的专利文献公开了一种聚多巴胺修饰聚吡咯-聚乙烯醇高强自愈导电水凝胶纤维，以聚乙烯醇、吡咯、聚多巴为单体，采用在聚乙烯醇纺丝液中原位聚合形成了聚多巴胺修饰聚吡咯，提高了聚吡咯分散性并大大缩减了制作的成本和工艺；采用湿法纺丝的方法利用化学交联并同物理交联的方式获得具有自我修复能力的导电水凝胶，同时水凝胶还具有较好的韧性和柔性，并可以按生产需要通过改变凝固浴以及保存液的配比，生产具有不同导电性能和力学性能的水凝胶纤维。然而，该方法制备导电水凝胶的工艺相对较为复杂，且制备的导电水凝胶自黏附性有待进一步提升。

发明内容