一种导电水凝胶及其制备方法和应用与流程

本技术涉及一种导电水凝胶及其制备方法和应用，属于水凝胶领域。

背景技术：

1、随着社会的发展进步，可穿戴式传感器受到越来越多的关注。而将可穿戴式传感器应用于水产品以鉴别品质好坏，是一个新的领域。水凝胶是由富含亲水基团的高分子材料通过氢键、共价键等化学键交联成的内部为网络结构的柔性材料。

2、水凝胶具有含水量高，力学性能与人类的组织相似，生物相容性好等优点，是一类理想的材料。海藻酸钠是从海藻中分离提取的多糖，可以通过其骨架上的羧基与阳离子间形成离子键而交联，因其良好的稳定性和无毒害作用而受到广泛关注。但纯的海藻酸钠单网络水凝胶机械性能差，而通过与丙烯酰胺等形成双网络结构水凝胶后，其力学稳定性可以大大提升。

3、要制备柔性的高电导率水凝胶，导电材料往往与柔性的水凝胶网络之间难以兼容，成为限制其大规模应用的主要难点。开发具有良好的导电性，同时具有良好的拉伸性、柔韧性和高灵敏度的水凝胶仍然是很大的挑战。导电水凝胶因具有良好的导电性而有巨大应用潜力。使用离子盐溶液加入到水凝胶体系是一种常用且简便的方法，得到的水凝胶高电导率主要是离子电导率，制成的水凝胶通常具有高透明性。虽然离子导电水凝胶有优异的力学、电学性能，但能够长期保留离子才能使其电学性能稳定。添加导电聚合物和导电纳米颗粒到水凝胶体系中是提高水凝胶导电性的另一种常用方法，聚吡咯(ppy)、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(pedot：pss)及聚苯胺(pani)等导电聚合物、碳纳米管、石墨烯、和金属纳米粒子/线等导电纳米颗粒已被用作填料以增加水凝胶的导电性。然而这些常用的导电聚合物在水溶液中分散性较差，机械不相容性使水凝胶的力学性能下降，且金、银等贵金属成本较高，在实际应用中严重受限。为了获得良好的导电性，需要使用大量的导电填料，这会影响水凝胶的机械性能和生物相容性。

4、液态金属通常是指在常温条件下以液态形式存在的金属材料，有单一金属也有合金。egain是一种液态金属，具有高导电性、流动性、低毒性和生物相容性等优点，但直接负载在水凝胶上极易泄露而影响导电性。

技术实现思路

1、根据本技术的第一个方面，提供了一种导电水凝胶。该导电水凝胶(lm-h)同时表现出高导电性(高达22s·m-1)、低弹性模量(23kpa)和超高拉伸性(1500％)，具有优异的鲁棒性(对12000次机械循环的一致性能)，克服了传统的电性能和机械性能之间的折衷。

2、一种导电水凝胶，所述导电水凝胶包括导电填料和双网络交联结构；

3、所述导电填料与所述双网络交联结构通过化学键结合；

4、所述导电填料包括液态金属；

5、所述双网络交联结构包括海藻酸钠网络结构、聚丙烯酰胺网络结构；

6、海藻酸钠与离子交联。

7、可选地，所述液态金属包括镓铟合金。

8、可选地，镓铟合金中包括自由基和ga3+；

9、自由基和ga3+与丙烯酰胺单体进一步聚合。

10、可选地，所述导电水凝胶的孔径为0.3μm～0.7μm。

11、可选地，所述导电填料嵌入所述双网络交联结构中。

12、可选地，所述镓铟合金的粒径为70nm～110nm。

13、可选地，所述导电水凝胶中，所述液态金属的含量为0.4wt.％～1.6wt.％。

14、可选地，所述导电水凝胶中，所述液态金属的含量为1.2wt.％～1.6wt.％。

15、可选地，所述导电水凝胶中，所述液态金属的含量独立地选自0.4wt.％、0.6wt.％、0.8wt.％、1.0wt.％、1.2wt.％、1.4wt.％、1.6wt.％中的任意值或任意两者之间的范围值。

16、可选地，所述导电水凝胶的含水量为80％～90％。

17、根据本技术的第二个方面，提供了一种导电水凝胶的制备方法。该制备方法通过超声加搅拌处理的方式使镓铟合金分散成纳米级的颗粒，能够与预凝胶溶液有较好的机械相容性，从而可以形成导电均匀的水凝胶。由于其常温下液态的特性，可以和柔软的水凝胶较好的融合而几乎不影响水凝胶的柔韧性和力学性能。液态金属释放ga3+并使聚合物网络进一步交联，使得水凝胶在保持良好力学性能的同时拥有高的电导率，使其适用范围更广、更灵敏。

18、一种导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

19、s1、将含有镓铟合金、丙烯酰胺溶液的物料混合，得到铟化镓悬浮液；

20、s2、将含有所述铟化镓悬浮液、含有海藻酸钠的混合液ⅰ、交联剂、引发剂的物料混合，得到前驱液；

21、s3、将caso4溶液、n,n,n’,n’-四甲基乙二胺加入所述前驱液中，紫外交联，得到所述导电水凝胶。

22、可选地，步骤s1中，所述铟化镓悬浮液中，铟化镓的质量百分数为0.1wt.％～1.4wt.％。

23、可选地，所述铟化镓悬浮液中，铟化镓的质量百分数独立地选自0.1wt.％、0.2wt.％、0.4wt.％、0.6wt.％、0.8wt.％、1.0wt.％、1.2wt.％、1.4wt.％中的任意值或任意两者之间的范围值。

24、可选地，步骤s1中，所述丙烯酰胺溶液中，丙烯酰胺的质量百分数为15wt.％～25wt.％。

25、可选地，所述丙烯酰胺溶液中，丙烯酰胺的质量百分数独立地选自15wt.％、16wt.％、17wt.％、18wt.％、19wt.％、20wt.％、21wt.％、22wt.％、23wt.％、24wt.％、28wt.％中的任意值或任意两者之间的范围值。

26、可选地，步骤s1中，混合在冰水浴中进行。

27、可选地，步骤s1中，混合包括超声、搅拌。

28、可选地，步骤s1中，混合时间为8min～15min。

29、可选地，步骤s2中，所述混合液ⅰ中，海藻酸钠的质量百分数为4.5wt.％～5wt.％。

30、可选地，步骤s2中，所述铟化镓悬浮液与所述混合液ⅰ的体积比为1.2～1.4。

31、可选地，步骤s2中，所述铟化镓悬浮液与所述交联剂的体积比为7～12。

32、可选地，步骤s2中，所述铟化镓悬浮液与所述引发剂的体积比为36～42。

33、可选地，步骤s2中，混合在耦合器中进行；再抽真空。

34、可选地，步骤s2中，所述交联剂包括n,n’-亚甲基双丙烯酰胺。

35、可选地，步骤s2中，所述引发剂包括过硫酸铵。

36、可选地，步骤s3中，所述铟化镓悬浮液与所述caso4溶液的体积比为6～12。

37、可选地，步骤s3中，所述铟化镓悬浮液与所述n,n,n’,n’-四甲基乙二胺的体积比为250～300。

38、可选地，步骤s3中，紫外交联的条件如下：

39、时间为0.5h～1.5h；

40、波长为350nm～380nm。

41、根据本技术的第三个方面，提供了一种导电水凝胶的应用。将该导电水凝胶制成一种应变传感器，该传感器能够准确记录身体运动信号(例如，手指弯曲、手腕弯曲、吞咽、咳嗽等)，我们进一步构建了一个具有无监督学习的传感器网络，用于运动监测，以检测不同的手势并同时将其传输到语言中。这种水凝胶及其衍生的传感器网络将成为一个多功能、用户友好的平台，以制造可穿戴电子产品，并为人类通信创造一种有效的方式。

42、通过将lm-h连接到用于手语翻译的无线电路，进一步制造了具有无监督学习的健康监测系统，该系统实现了对不同手势信号的识别。该系统可以实现简单有效的手势识别，响应时间为0.21s。

43、此外，将水凝胶贴附在皮肤或者水产品表面，能够对人体甚至动物行为进行全方位监测，进一步扩大了应用场景。

44、上述所述的导电水凝胶和/或上述所述的制备方法得到的导电水凝胶在可穿戴式应变传感器、水产品质量安全中的应用。

45、可选地，所述可穿戴式应变传感器包括基于手机安卓系统的手势自动识别系统。

46、可选地，将所述导电水凝胶连接到用于手语翻译的无线电路，得到无监督的健康监测系统。

47、本技术能产生的有益效果包括：

48、1)本技术所提供的一种导电水凝胶，该导电水凝胶同时表现出高导电性(高达22s·m-1)、低弹性模量(23kpa)和超高拉伸性(1500％)，具有优异的鲁棒性(对12000次机械循环的一致性能)，克服了传统的电性能和机械性能之间的折衷。

49、2)本技术所提供的一种导电水凝胶的制备方法，该制备方法通过超声加搅拌处理的方式使镓铟合金分散成纳米级的颗粒，能够与预凝胶溶液有较好的机械相容性，从而可以形成导电均匀的水凝胶。由于其常温下液态的特性，可以和柔软的水凝胶较好的融合而几乎不影响水凝胶的柔韧性和力学性能。液态金属释放ga3+并使聚合物网络进一步交联，使得水凝胶在保持良好力学性能的同时拥有高的电导率，使其适用范围更广、更灵敏。

50、3)本技术所提供的一种导电水凝胶的应用，通过将lm-h连接到用于手语翻译的无线电路，进一步制造了具有无监督学习的健康监测系统，该系统实现了对不同手势信号的识别。该系统可以实现简单有效的手势识别，响应时间为0.21s。