一种快回复低滞后的导电水凝胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种快回复低滞后的导电水凝胶及其制备方法与应用。该方法包括：将无机盐溶解在除氧去离子水中，再依次加入氢氧化钠、卡拉胶、丙烯酸、交联剂、引发剂得到反应液；将反应液导入模具密封，随后引发聚合，得到具有快回复低滞后的导电水凝胶。本发明专利技术提供的导电水凝胶具有高强度、快回复、低滞后、高电导率的特点，其制备过程中卡拉胶在常温即可分散溶解，无需加热。本发明专利技术提供的双网络导电水凝胶的滞后百分比在5％以内，低于传统导电水凝胶的1/4；拉伸后的残余应变小于5％，低于传统的双网络导电水凝胶1/10；该性能为可穿戴水凝胶应变传感器提供了一种理想的材料，可提高传感器的灵敏度、持久性、稳定性等重要特性。稳定性等重要特性。稳定性等重要特性。

【技术实现步骤摘要】
一种快回复低滞后的导电水凝胶及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于柔性智能可穿戴导电水凝胶材料领域，具体涉及一种快回复低滞后的导电水凝胶及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]当前大部分可穿戴产品的材料都是基于无机刚性导体材料制备的，由于其模量与人体皮肤不匹配，刚性大无法弯折，极大的限制了可穿戴设备的舒适性和一体性。水凝胶是一种有着极高含水量的三位网络结构材料，其模量与人体皮肤接近，有着较好的生物相容性，同时，研究表明基于离子导体的导电水凝胶的信号传导延迟较低，可以同传统的物理导体一致，所以导电水凝胶是一种理想的柔性可穿戴材料(参见文献iScience.2021，24(11)，103174)。
[0003]尽管目前基于导电水凝胶的可穿戴设备的研究很多，导电凝胶可以通过形变导致的电阻变化来传导信号同时具有较高的灵敏度，但是仍存在下面几个问题：水凝胶材料在多反复拉伸后存在残余应变和滞后现象，凝胶的回复需要一定的时间，这极大的限制了导电凝胶长期稳定工作的能力，现有文献报道的水凝胶传感器拉伸至600％应变并回复后，残余应变达到～100％，滞后百分比达～40％(ACS Appl.Mater.Interface 2016，8，29749
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29758)。
[0004]此外，普通水凝胶的力学强度较低，也是限制其作为传感器材料的条件之一，卡拉胶是一类天然多糖材料，与水凝胶复配可制备双网络水凝胶，以提高水凝胶的强度，现有文献报道的基于卡拉胶
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聚丙烯酰胺的双网络水凝胶，其中卡拉胶的溶解是在70℃进行的，所制备的水凝胶拉伸强度可提高至100kPa，是不添加卡拉胶的单网络聚丙烯酰胺水凝胶的5倍，但该双网络水凝胶拉伸至400％应变并回复后，残余应变达到50％以上，凝胶回复较慢，至少需要2h(J.Mater.Chem.B，2014，2，7631
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7638)；同时，传统的基于卡拉胶的双网络凝胶一般都需要高温溶解卡拉胶，制备过程往往需要持续6h以上，步骤繁琐且高能耗，不利于实际的生产应用推广。
[0005]另一方面，在水凝胶保持高力学强度、快速回复性能的同时，其电导率往往有一定的损失，难以保证水凝胶传感器的灵敏传感特性。因此，可以便捷制备具有快回复低滞后的导电水凝胶的方法对于柔性可穿戴领域具有着重要意义。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种快回复低滞后的导电水凝胶及其制备方法与应用，具体为一种具有快回复低滞后的双网络导电水凝胶及其制备方法与应用。
[0007]本专利技术公开的快回复低滞后的导电水凝胶中的天然多糖卡拉胶，实现增强增韧的功能；通过控制无机盐和氢氧化钠、卡拉胶及丙烯酸的添加顺序，实现卡拉胶在常温下的分散溶解，避免了通过加热溶解的高耗能方式；无机盐氯化锂或氯化钾作为自由离子实现电
荷传导，赋予凝胶高电导率的特性。
[0008]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0009]本专利技术提供的一种快回复低滞后的导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)向水中加入无机盐，搅拌混合均匀，得到溶液1；
[0011](2)向步骤(1)中的所述溶液1中加入氢氧化钠，搅拌混合均匀，得到溶液2；
[0012](3)向步骤(2)中的所述溶液2中加入卡拉胶，搅拌混合均匀，得到溶液3；
[0013](4)向步骤(3)中的所述溶液3加入丙烯酸得到溶液4，然后加入化学交联剂N，N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混合均匀，得到溶液5；
[0014](5)向步骤(4)中的溶液5加入引发剂，搅拌混合均匀，通过超声除气泡后得到最终反应液，将反应液注入模具中并密封；
[0015](6)将装有最终反应液的模具再次超声，然后进行聚合反应，得到所述快回复低滞后的导电水凝胶。
[0016]进一步地，步骤(1)所述无机盐的种类为氯化锂、氯化钾中的任意一种，加入无机盐的物质的量与加入水和丙烯酸的总体积之比为1mol/L～2.5mol/L。
[0017]进一步地，加入氢氧化钠的物质的量与加入水和丙烯酸的总体积之比为1mol/L～4mol/L。
[0018]进一步地，步骤(3)所述搅拌混合均匀为在常温环境下搅拌混合均匀。
[0019]进一步地，步骤(3)中，所述卡拉胶为Kappa型卡拉胶，加入卡拉胶的质量与加入水和丙烯酸的总体积之比为5g/L～30g/L，所述搅拌混合的时间为5min～20min。
[0020]进一步地，步骤(3)中，所述搅拌混合的时间为10min。
[0021]进一步地，步骤(4)中的丙烯酸的用量与步骤(2)中氢氧化钠的用量的摩尔比为1∶1；步骤(4)所述加入化学交联剂N，N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺的物质的量为加入丙烯酸物质的量的0.01％～0.15％。
[0022]进一步地，步骤(5)所述的引发剂为光引发剂或氧化
‑
还原引发剂，其中光引发剂为α
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酮戊二酸，加入光引发剂的物质的量为步骤(4)加入丙烯酸物质的量的0.1％～1％；氧化
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还原引发剂为过硫酸钾和N，N，N
′
，N
′‑
四甲基乙二胺组成的氧化还原引发体系，加入过硫酸钾的物质的量为步骤(4)加入丙烯酸的物质的量的0.1％～0.5％，加入N，N，N
′
，N
′‑
四甲基乙二胺的物质的量为步骤(4)加入丙烯酸的物质的量的0.1％～1％。
[0023]进一步地，步骤(6)中所述聚合反应使用光引发剂时，用来引发反应的紫外波长200nm～400nm，紫外灯功率为60W～180W；步骤(6)中所述聚合反应使用氧化
‑
还原引发剂时，聚合温度为15℃～30℃。
[0024]进一步地，步骤(6)中所述聚合反应使用氧化
‑
还原引发剂时，聚合温度为20℃。
[0025]进一步地，步骤(6)所述聚合反应的时间为0.5～4h。
[0026]本专利技术提供一种由上述的制备方法制得的具有快回复低滞后的导电水凝胶。
[0027]进一步地，所述具有快回复低滞后的导电水凝胶的滞后百分比在5％以内，低于传统导电水凝胶的1/4；拉伸后的残余应变小于5％，低于传统的双网络导电水凝胶1/10。
[0028]本专利技术还提供所述快回复低滞后的导电水凝胶在可穿戴水凝胶应变传感器中的应用。
[0029]本专利技术提供的一种快回复低滞后的导电水凝胶，通过在凝胶体系中引入天然大分
子卡拉胶，形成了双网络聚电解质凝胶，实现了增强增韧的效果，兼具极佳的力学性能和电学性能，是一种理想的用于柔性可穿戴设备的导电水凝胶材料。
[0030]本专利技术提供的制备方法，创造性地在使用氯化锂或氯化钾及氢氧化钠作为卡拉胶的助溶剂，实现了常温下卡拉胶的快速均匀分散，回避了传统的长时间加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快回复低滞后的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)向水中加入无机盐，搅拌混合均匀，得到溶液1；(2)向步骤(1)中的所述溶液1中加入氢氧化钠，搅拌混合均匀，得到溶液2；(3)向步骤(2)中的所述溶液2中加入卡拉胶，搅拌混合均匀，得到溶液3；(4)向步骤(3)中的所述溶液3加入丙烯酸得到溶液4，然后加入化学交联剂N，N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混合均匀，得到溶液5；(5)向步骤(4)中的溶液5加入引发剂，搅拌混合均匀，通过超声除气泡后得到最终反应液，将反应液注入模具中并密封；(6)将装有最终反应液的模具再次超声，然后进行聚合反应，得到所述快回复低滞后的导电水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种快回复低滞后的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的无机盐为氯化锂或氯化钾中的任意一种，加入无机盐的物质的量与加入水和丙烯酸的总体积之比为1mol/L～2.5mol/L。3.根据权利要求1所述的一种快回复低滞后的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，加入氢氧化钠的物质的量与加入水和丙烯酸的总体积之比为1mol/L～4mol/L。4.根据权利要求1所述的一种快回复低滞后的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述搅拌混合均匀为在常温环境下搅拌混合均匀，所述卡拉胶为Kappa型卡拉胶，加入卡拉胶的质量与加入水和丙烯酸的总体积之比为5g/L～30g/L；所述搅拌混合的时间为5min～20min。5.根据权利要求1所述的一种快回复低滞后的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述加入化学交联剂N，N

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，何哲健，袁忠和，邵楚茵，孙尉翔，童真，陈欣，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：