【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水凝胶材料，具体涉及一种水凝胶传感器及其制备方法和应用。
技术介绍
1、柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性等优点，在智能穿戴设备，电子皮肤、疾病诊断设备、健康监测等领域具有广泛的应用前景。液态金属是一种常温下为液体的合金，在包括微流体电子、导电3d打印材料和可拉伸设备在内的大量应用中前景广阔。
2、现有文献报道了一些使用液态金属制备柔性传感器的方法，如(1)微通道注射法，在柔性基底材料中预制通道，将液态金属填充到柔性基底材料中得到可导电的柔性复合材料；该方法需要提前预制通道，工艺复杂，费时费力；(2)将液态金属作为导电油墨，印刷在基材表面，得到导电通路；但是液态金属的高界面张力，导致其很难与界面良好接触，此外，在解决了接触问题后，高倍拉伸会导致液态金属与界面再次出现分离，影响其性能。
3、水凝胶因其自身具有柔韧性与生物相容性，是制备柔性传感器的理想材料之一。传统的水凝胶是在水凝胶内部添加导电聚合物或金属盐使得水凝胶具有导电性，但存在导电性差，灵敏度低等缺点。液体金属的流体性质和高导电性使其可以作为传感器的柔性填料，解决传统的刚性导电填料带来的问题，并为液态金属传感器带来新的特性。研究表明，将液态金属纳米微球与水凝胶结合可以制备出具有优异导电、导热的液态金属基柔性水凝胶复合材料，但也存在着一些缺点，该方法在使用时需要额外导通，且液态金属不可回收；当将液态金属加工成纳米颗粒与水凝胶结合时，整个材料用于传感的部分很少，而不用于传感的部分则浪费了材料，因此材料利用率也比较低。
1、为了解决上述问题，本专利技术提供了一种水凝胶传感器及其制备方法和应用。
2、本专利技术第一方面在于提供一种水凝胶传感器，所述水凝胶传感器是以水凝胶为基底，液态金属/玻璃纤维复合材料采用掩膜印刷法打印在水凝胶表面制得。
3、优选地，水凝胶厚度为1～3mm；液态金属/玻璃纤维复合材料厚度为0.2～0.5mm。
4、优选地，以质量比计，所述液态金属：玻璃纤维＝5～20：1；如果玻璃纤维含量过少，液态金属的流变性能几乎没有发生变化，对于复合材料的可操作性难以控制，在应用过程中也难以形成有效导电通路，影响灵敏度及导电性。如果玻璃纤维含量过多，得到的液态金属/玻璃纤维复合材料将失去液态金属的流动特性，不能够应用于掩膜印刷法。
5、优选地，所述玻璃纤维的直径为10μm，长度为5～100μm；玻璃纤维太短会影响导电网络的形成，玻璃纤维太长在搅拌过程中会遭到破坏。
6、优选地，所述液态金属为常温液态金属，包括合金液态金属和单质液态金属。
7、优选地，所述液态金属为金属单质镓或者镓与选自铟、锡、锌中的任一种形成的二元合金或者镓与选自铟、锡、锌中的任两种或三种形成的多元合金。
8、本专利技术第二方面在于提供一种上述水凝胶传感器的制备方法，具体步骤如下：
9、(1)将液态金属与玻璃纤维于20～25℃搅拌均匀，静置30min，得到液态金属/玻璃纤维复合材料；
10、(2)将干酪素、丙烯酰胺、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺和水混合，持续搅拌，再加入过硫酸钾和四甲基乙二胺混合均匀，放入模具中固化，得到水凝胶；
11、(3)滚刷蘸取步骤(1)得到的液态金属/玻璃纤维复合材料使用掩膜印刷法打印在步骤(2)得到的水凝胶表面，得到水凝胶传感器。
12、优选地，所述步骤(1)中，转速为50～200rpm，搅拌时间为5～10min；搅拌可以帮助液态金属与玻璃纤维更好的结合，搅拌时间越长，两者之间的结合越充分。
13、优选地，所述步骤(2)中，以质量比计，干酪素：丙烯酰胺：n,n’-亚甲基双丙烯酰胺：水＝0.5～2.0：3～5：0.001～0.002：10～20；丙烯酰胺：过硫酸钾＝1g：0.02～0.04g，丙烯酰胺：四甲基乙二胺＝1g：15～25μl
14、优选地，所述步骤(2)中，转速100～300rpm，搅拌温度为40～50℃，搅拌时间为30～60min；固化温度为40℃，固化时间为3～5h。
15、优选地，所述步骤(3)中，印刷次数为3～5次；在印刷过程中要有一定的力度，确保液态金属/玻璃纤维复合材料能够牢固的固定在水凝胶表面。
16、本专利技术第三方面在于提供上述水凝胶传感器在柔性可穿戴设备或应力、应变传感器方面的应用。
17、本专利技术中使用的玻璃纤维具有调节液态金属的流变性能，使其操作性更强；玻璃纤维与液态金属、水凝胶之间有良好的粘附性，这种相互作用可以帮助液态金属在水凝胶表面拉伸时形成良好的导电网络，是作为传感器使用的基础。
18、玻璃纤维与液态金属之间存在一定的浸润性，液态金属可以附着在玻璃纤维表面，当水凝胶被拉伸时，玻璃纤维可以带动液态金属移动，粘结有液态金属的玻璃纤维之间相互交叉，最后在拉伸过程中形成导电网络。本专利技术使用的玻璃纤维不可换成石英粉等粉末状材料，因为粉末材料之间不会交叉，将无法形成导电网络；也无法换成其他聚合物材料，因为聚合物与液态金属之间没有浸润性，因此玻璃纤维是独一无二的。
19、本专利技术使用的水凝胶为粘性水凝胶，可以起到固定作用，使其在拉伸过程中保持稳定。玻璃纤维与粘性水凝胶之间有着良好的黏附作用，粘性水凝胶拉伸时可以带动玻璃纤维移动，从而带动液态金属移动。如果水凝胶不具备粘性，则无法带动玻璃纤维运动，因此也无法形成导电网络，制备的传感器无法在高倍拉伸下使用。此外，由于液态金属的表面张力很大，很难直接在一些材料表面使用，粘性水凝胶可以粘结液态金属表面的氧化膜，使其固定在水凝胶表面。因此，玻璃纤维，粘性水凝胶和液态金属协同作用，缺一不可。
20、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
21、(1)本专利技术解决了液态金属不易与基底结合的局限性，得到的水凝胶传感器可同时实现高倍拉伸与高导电性，且模量低，质地柔软，与传统的导电凝胶传感器相比具有更好的循环稳定性；
22、(2)本专利技术的制备方法简单便捷，能够进行大规模生产，制得的传感器在柔性传感器和可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景；
23、(3)本专利技术中使用掩膜印刷法制备对液态金属的利用率高，且液态金属可以在酸性或碱性条件下回收，节省资源。
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1.一种水凝胶传感器，其特征在于，所述水凝胶传感器是以水凝胶为基底，液态金属/玻璃纤维复合材料采用掩膜印刷法打印在水凝胶表面制得。
2.根据权利要求1所述的水凝胶传感器，其特征在于，水凝胶厚度为1～3mm；液态金属/玻璃纤维复合材料厚度为0.2～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的水凝胶传感器，其特征在于，以质量比计，所述液态金属：玻璃纤维＝5～20：1；所述玻璃纤维的直径为10μm，长度为5～100μm。
4.根据权利要求1所述的水凝胶传感器，其特征在于，所述液态金属为常温液态金属，包括合金液态金属和单质液态金属。
5.根据权利要求4所述的水凝胶传感器，其特征在于，所述液态金属为金属单质镓或者镓与选自铟、锡、锌中的任一种形成的二元合金或者镓与选自铟、锡、锌中的任两种或三种形成的多元合金。
6.权利要求1所述的水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
7.根据权利要求6所述的水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，转速为50～200rpm，搅拌时间为5～10min。
8.
9.根据权利要求6所述的水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，转速100～300rpm，搅拌温度为40～50℃，搅拌时间为30～60min；固化温度为40℃，固化时间为3～5h。
10.权利要求1所述的水凝胶传感器在柔性可穿戴设备或应力、应变传感器方面的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种水凝胶传感器，其特征在于，所述水凝胶传感器是以水凝胶为基底，液态金属/玻璃纤维复合材料采用掩膜印刷法打印在水凝胶表面制得。
2.根据权利要求1所述的水凝胶传感器，其特征在于，水凝胶厚度为1～3mm；液态金属/玻璃纤维复合材料厚度为0.2～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的水凝胶传感器，其特征在于，以质量比计，所述液态金属：玻璃纤维＝5～20：1；所述玻璃纤维的直径为10μm，长度为5～100μm。
4.根据权利要求1所述的水凝胶传感器，其特征在于，所述液态金属为常温液态金属，包括合金液态金属和单质液态金属。
5.根据权利要求4所述的水凝胶传感器，其特征在于，所述液态金属为金属单质镓或者镓与选自铟、锡、锌中的任一种形成的二元合金或者镓与选自铟、锡、锌中的任两种或三种形成的多元合金。
6.权利要求1所述的水凝胶传感器...
【专利技术属性】
技术研发人员：许健宇，霍沛贤，庞翠娟，王苗苗，
申请(专利权)人：广东海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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