一种复合水凝胶、制备方法、电磁屏蔽装置和位移传感器

1.本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种复合水凝胶、制备方法、电磁屏蔽装置和位移传感器。


背景技术：

2.随着物联网等新兴通讯技术的快速发展，效率更高、速度更快的6g通信技术受到了全世界的关注。太赫兹电磁波(0.1～10thz)是6g通信技术中一个重要的电磁波频段，但是由于太赫兹电磁波的传播距离较短，将导致6g无线通信网络的密度达到前所未有的水平，进而带来更加严重的电磁辐射危害。
3.目前，人们已经成功的利用石墨烯、碳纳米管和mxene纳米片等高导电性原料合成出了多种具有太赫兹屏蔽能力的薄膜和泡沫。虽然上述这些材料具有良好的太赫兹电磁屏蔽性能，但由于其电导率过高，导致了阻抗匹配性较差，引发太赫兹电磁波在材料表面产生强烈反射，对环境造成了二次电磁污染。
4.另外，现有的太赫兹电磁屏蔽材料的频率范围只能在0.1～2thz这一较窄的频率范围，仅覆盖了整个太赫兹频段的20％。而对于高屏蔽效率的太赫兹电磁屏蔽材料的柔性、耐磨性和复杂环境适应性又较差。


技术实现要素：

5.鉴于上述分析，本发明提供了一种复合水凝胶、制备方法、电磁屏蔽装置和位移传感器，用以解决现有的电磁屏蔽材料屏蔽效率低、材料结构性能差的问题。
6.本发明提供了一种复合水凝胶，包括聚丙烯酰胺、pedot:pss和mxene。
7.可选地，按质量份数，包括聚丙烯酰胺4000-6000份、pedot:pss10～20份和mxene2～10份。
8.另一方面，本发明提供了一种复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
9.获取丙烯酰胺、pedot:pss水分散液、mxene水分散液、引发剂、交联剂、催化剂和分散介质；
10.在分散介质中加入丙烯酰胺获得基础液；
11.在基础液中加入pedot:pss水分散液和mxene水分散液获得混合溶液；
12.先在混合溶液中加入引发剂和交联剂，然后加入催化剂；
13.倒入模具中，静置完成交联聚合获得复合水凝胶。
14.可选地，引发剂为过硫酸铵。
15.可选地，交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。
16.可选地，催化剂为n,n,n',n'-四甲基乙二胺。
17.可选地，分散介质为水和丙三醇。
18.可选地，模具的材质为聚四氟乙烯。
19.第三方面，本发明提供了一种太赫兹电磁屏蔽装置，该装置的电磁屏蔽元件使用
前述复合水凝胶。
20.最后，本发明还提供了一种基于太赫兹信号的复合水凝胶位移传感器，包括前述的复合水凝胶。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
22.1.本发明的制备方法简单，制备条件局限少，显著降低了材料制备难度，提高了材料制备效率。
23.2.本发明的复合水凝胶的环境稳定性、高保水性、可拉伸性、自愈合性、形状适应性以及粘附性好。
24.3.本发明的复合水凝胶屏蔽的太赫兹电磁波频率范围广，屏蔽时以吸收为主导，环境污染小。
25.4.本发明的复合水凝胶具有高灵敏度的拉伸应变太赫兹信号响应，在太赫兹屏蔽领域与无线微小位移传感器的开发中具有广阔的应用前景。
26.5.本发明基于太赫兹信号的复合水凝胶位移传感器首次将水凝胶类材料应用无线位移传感器上，利用了本发明的复合水凝胶特有的良好的可拉伸性以及拉伸过程中复合水凝胶厚度发生变化的特性，最终得到了不同拉伸量下对于太赫兹信号强度的高度线性变化规律。
附图说明
27.图1为实施例1所制备的复合水凝胶在不同环境温度下的质量变化图。
28.图2(a)为实施例1所制备的复合水凝胶在不同环境温度下的应力-应变曲线。
29.图2(b)为实施例1所制备的复合水凝胶在不同环境温度下的拉伸循环曲线。
30.图3为实施例1所制备的复合水凝胶在不同环境温度下的自愈合能力实物图。
31.图4(a)为实施例1所制备的复合水凝胶在不同环境温度下的形状适应性实物图。
32.图4(b)为实施例1所制备的复合水凝胶在不同环境温度下的粘附性实物图。
33.图5(a)为实施例1中所应用的复合水凝胶在不同环境温度下的电磁屏蔽效率数据图。
34.图5(b)为实施例1中所应用的复合水凝胶在不同环境温度下的电磁波反射率。
35.图6(a)为实施例1所应用的复合水凝胶拉伸应变率与透射电磁波能量对应数据图。
36.图6(b)为实施例1所应用的复合水凝胶拉伸应变率与线性拟合图。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细描述。
38.本发明的一个具体实施例，参见附图1-6，公开了一种复合水凝胶，由聚丙烯酰胺、pedot:pss和mxene交联聚合而得。
39.可选地，按质量份数，包括聚丙烯酰胺4000-6000份、pedot:pss10～20份和mxene2～10份。优选地，包括聚丙烯酰胺5000份、pedot:pss 14.3份和mxene6.4份。
40.本发明的另一个实施例，公开了一种复合水凝胶的制备方法，用于制备上述复合水凝胶，包括以下步骤：
41.获取丙烯酰胺、pedot:pss水分散液、mxene水分散液、引发剂、交联剂、催化剂和分散介质。
42.可选地，引发剂为过硫酸铵；交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺；催化剂为n,n,n',n'-四甲基乙二胺；丙烯酰胺在三者共同作用下完成交联，形成了该复合水凝胶中主要的骨架结构。
43.可选地，分散介质为水和丙三醇；优选地，所述水为去离子水。使用丙三醇能够增强骨架结构强度。
44.在分散介质中加入丙烯酰胺，磁力搅拌5-30min分钟获得基础液，优选为30分钟；磁力搅拌的转速为800-1600rpm，优选为1200rpm。
45.在基础液中加入pedot:pss水分散液和mxene水分散液，磁力搅拌10分钟获得混合溶液，磁力搅拌的转速为1200rpm。
46.在混合溶液中加入引发剂和交联剂，磁力搅拌10分钟，磁力搅拌的转速为1200rpm。然后加入催化剂，磁力搅拌1分钟，磁力搅拌的转速为1600rpm。
47.倒入模具中，室温下静置5-30分钟完成交联聚合获得聚丙烯酰胺、pedot:pss和mxene复合水凝胶。
48.可选地，丙烯酰胺与pedot:pss质量比为200～400:1，丙烯酰胺与mxene的质量比为500～2500:1，丙烯酰胺与引发剂的质量比为50～150:1，丙烯酰胺与交联剂的质量比为800～1300:1，丙烯酰胺与催化剂的质量比为150～300:1；丙烯酰胺与分散介质的质量比为1:5～6。优选地，丙烯酰胺与pedot:pss质量比为350:1，丙烯酰胺与mxene的质量比为778:1，丙烯酰胺与引发剂的质量比为117:1，丙烯酰胺与交联剂的质量比为1167:1，丙烯酰胺与催化剂的质量比为226:1；丙烯酰胺与分散介质的质量比为1:5.7。
49.可选地，分散介质中丙三醇的体积百分比浓度为20vol％；丙烯酰胺与去离子水的质量比为0.296:1；丙烯酰胺与丙三醇的质量比为0.868:1；在该配比条件下，pedot:pss和mxene与丙三醇之间形成了多重物理交联，使得水凝胶具有良好的拉伸性能，从而进一步增强其骨架结构强度；pedot：pss水分散液的重量百分比浓度为1～5wt％，mxene水分散液的浓度为1～10mg/ml。
50.可选地，模具的材质为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯具有良好的疏水性，待水凝胶成形后，可以很好的从模具中脱离。
51.可选地，制备时，环境温度为25℃。
52.与传统的水凝胶热引发、紫外光引发合成方法相比，本发明在室温就能加工成型，大大简化了材料合成的难度，极大的缩短了材料制备时间，有效的提升了材料生产效率，为工业化生产打下了良好的基础。
53.另外，由于mxene的二维层状结构和丰富的表面基团，mxene能够作为物理交联点加强复合水凝胶骨架结构，并且与pedot:pss和丙三醇上的羟基以及聚丙烯酰胺上的羧基和氨基形成氢键，增强了复合水凝胶可拉伸性和力学性能。氢键越多，力学性能越好。同时，负电性的mxene与pedot:pss中的阳离子自由基通过静电作用形成离子键，能够进一步加强聚合物网络结构。此外，丙三醇还可以与水和聚丙烯酰胺聚合物骨架形成丰富的氢键，增加交联密度。
54.以此同时，该复合水凝胶中pedot:pss与mxene之间的协同效应不仅构建出了高密
度的导电网络，并通过引入大量的氢键和离子键进一步加强其拉伸应变能力。该有机水凝胶不仅拥有良好的环境适应性、高保水性、可拉伸性、自愈合性、形状适应性以及粘附性，还具备优秀的宽频太赫兹电磁屏蔽能力以及高灵敏度的太赫兹电磁信号响应能力。
55.本发明的另一个实施例，公开了一种太赫兹电磁屏蔽装置，该装置的电磁屏蔽元件使用前述复合水凝胶。
56.使用时，太赫兹电磁波与该太赫兹电磁屏蔽装置的复合水凝胶之间由于材料中具有较多的电载流子和电偶极子，复合水凝胶合适的电导率使其表面和入射电磁波之间具有良好的阻抗匹配，导致太赫兹电磁波在复合水凝胶材料表面具有较低的电导率。另一方面，mxene与pedot:pss的结合构成的复合导电网络在交变电场下产生感应电流，将电磁波的能量转换为热能进行耗散。再一方面，该复合水凝胶中大量的水分子具有永久性的偶极子，mxene与聚丙烯酰胺骨架之间的非均质界面同样也可以积聚自由电荷，使得在交变电场作用下，能够产生较强的偶极子极化损耗和界面极化损耗来耗散太赫兹电磁波能量。
57.由此，使得本发明的太赫兹电磁屏蔽装置能够屏蔽太赫兹电磁波频率范围为2～10thz，通过吸收为主的方式进行太赫兹电磁屏蔽，环境污染小，对频率范围为2～10thz入射电磁波的反射率低于35％。
58.本发明的另一个实施例，公开了一种基于太赫兹信号的复合水凝胶位移传感器，该传感器的传感元件使用前述复合水凝胶。
59.使用时，将位移传感器设置于物体上，如果物体发生移动，复合水凝胶的拉伸量发生变化，复合水凝胶的拉伸变化量变化后，太赫兹信号透射复合水凝胶的强度随之发生变化，通过测量太赫兹信号的透射强度，判断物体的位移量。
60.物体发生移动后，测量复合水凝胶的拉伸应变率、太赫兹电磁波频率和太赫兹电磁波的透过率；
61.对太赫兹电磁波频率和太赫兹电磁波的透过率进行积分运算；
62.对积分运算结果进行对数运算获得太赫兹电磁波能量变化率；
63.获得复合水凝胶的拉伸应变率与太赫兹电磁波能量变化率线性关系图，根据线性关系图获得太赫兹传感性能。
64.实施例1
65.获取3.5g的丙烯酰胺、1ml的pedot：pss水分散液、3ml的mxene水分散液、0.03g的过硫酸铵、0.003g的n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、20μl的n,n,n',n'-四甲基乙二胺和15ml的分散介质。其中，分散介质为11.8ml的去离子水和3.2ml的丙三醇；pedot：pss水分散液的质量比为1.5wt％，mxene水分散液的浓度为1.5mg/ml。
66.在15ml的分散介质中加入3.5g的丙烯酰胺，磁力搅拌30分钟，磁力搅拌的转速为1200rpm，直到无明显沉淀后，获得基础液。
67.在基础液中加入1ml的pedot：pss水分散液与3ml的mxene水分散液，磁力搅拌10分钟，磁力搅拌的转速为1200rpm，直到成为黑色无明显沉淀且均一的状态后，获得混合溶液。
68.在混合溶液中加入0.03g的过硫酸铵和0.003g的n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，磁力搅拌10分钟，磁力搅拌的转速为1200rpm，直到无明显沉淀混合均匀后，向该混合体系中加入20μl的n,n,n',n'-四甲基乙二胺，磁力搅拌1分钟，磁力搅拌的转速为1600rpm。
69.倒入聚四氟乙烯模具中，室温下静置5分钟完成交联聚合。
70.制备得到复合水凝胶，按质量份数，包括聚丙烯酰胺5000份、pedot:pss14.3份和mxene 6.4份，该原料比例制备复合水凝胶的制备时间最短、拉伸应变量最大、电磁屏蔽性能最好。
71.采用太赫兹时域光谱仪对制备得到的聚丙烯酰胺、pedot:pss和mxene复合水凝胶性能进行评估，复合水凝胶尺寸为5*5cm方形样品，厚度为1mm，测试中所应用的太赫兹频率范围为2～10thz。
72.参见图1展示了实施例1中所制备的复合水凝胶在不同环境温度下七天内质量变化的情况，可以看出其具备较好的环境温度适应性与良好的保水能力。
73.参见图2(a)和(b)展示了实施例1中所制备的复合水凝胶在不同环境温度下的应力-应变曲线，从图中数据可以看出，其具备良好的拉伸应变能力与稳定的拉伸循环能力。
74.参见图3展示了实施例1中所制备的复合有机水凝胶在不同环境温度下的自愈合性能，表明其在不同环境温度下都具备良好的自愈合能力，保证了其耐用性与稳定性。
75.参见图4(a)和(b)展示了实施例1中所制备的复合水凝胶在不同环境温度下的形状适应性与粘附性，表明其良好的形状适应能力与卓越的不同种类表面的亲和能力，保证了该复机水凝胶使用时的稳定性。
76.参见图5(a)和(b)展示了实施例1中所制备的复合水凝胶在不同环境温度下以及太赫兹频率范围为2～10thz时的电磁屏蔽效率(se)以及电磁波反射率。从图中数据可以看出，其平均电磁屏蔽效率达到了61.5db，并且其电磁波反射率在全频率范围内(2～10thz)全部都低于35％，随着频率的升高呈现反射率快速降低趋势，表现出以吸收为主导的电磁屏蔽机制。
77.实施例2
78.将实施例1中制备好的复合水凝胶应用于基于太赫兹信号的复合水凝胶位移传感器。
79.按照实施例1中原料制备比例制备的复合水凝胶的拉伸应变量最大，当构建成太赫兹位移传感器之后，可以使用的位移区间大大增加，增强了物体位移量的可探测范围。
80.参见图6(a)和(b)展示了该复合水凝胶的拉伸应变率与频率范围为8.5～9.5thz太赫兹电磁波透过率呈正相关变化，且通过将透射太赫兹电磁波能量相对于太赫兹电磁波频率进行积分运算，再将运算结果进行取对数处理，该复合水凝胶的拉伸应变率与经过上述计算处理的太赫兹电磁波能量变化率呈反比例线性变化关系，线性回归系数为0.998。
81.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。