一种粘性离子应变传感水凝胶及其制备方法和应用

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种粘性离子应变传感水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，柔性可穿戴电子产品因其作为可穿戴设备、储能材料、电子皮肤和传感器的应用前景而备受关注，具有软机械性能的导电水凝胶已应用于人类行为监测。此外，由于杨氏模量与人体皮肤相似，导电水凝胶可以有效避免传统可穿戴柔性电子产品的界面剥离或皮肤刮擦问题。导电水凝胶的这些优点使其在人类行为监测和可穿戴设备中具有巨大潜力。

2、导电水凝胶分为电子导电水凝胶和离子导电水凝胶。导电水凝胶具有多孔微观结构、大表面积和优异的导电性，这是因为导电组件掺杂过程中产生了大量极化子和双极子，如石墨烯和碳纳米管。然而，碳材料的重叠将容易对导电网络造成伤害，从而影响电子转移路径和导电性能。此外，碳基材料的添加导致了高度π共轭结构和重叠的p轨道，这导致了高刚度和低透明度，限制了它们在可穿戴传感器中的应用。除了高柔性、大应变和高透明度外，离子导电水凝胶还具有与人类液体相似的导电机制，因此在人类行为监测中备受关注。电解质离子的直径小于聚合物网络的网孔尺寸，因此离子可以在聚合物网络中迁移，这类似于人体的导电机制。水凝胶网络中的高水含量提供了理想的导电环境，并提高了离子导电水凝胶的导电性。

3、尽管离子传导水凝胶已经引起了极大的关注，但作为传感器，它们仍面临一些挑战，如低灵敏度(规范因子<6)、低电导率、极端环境耐受性不足和长期稳定性差。离子传导水凝胶的低灵敏度和导电性使得难以传输和区分不同人类行为检测的信号。水凝胶的高含水量很容易在高温下蒸发并在低温下冻结，这可能导致水凝胶功能障碍。同时，开放环境中的水分损失将导致水凝胶网络脱水和收缩。这两个缺点极大地限制了离子传导水凝胶的应用场景和使用时间。高度期望开发对人体运动感知具有环境耐受性的多功能敏感离子传导水凝胶。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种粘性离子应变传感水凝胶及其制备方法和应用，以解决现有技术中水凝胶灵敏度低、电导率低和稳定性差的问题，同时解决水凝胶易于脱水和收缩的问题。本发明的方法工艺简单，价格低廉，同时制得的水凝胶具有较强的实用性和稳定性。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种粘性离子应变传感水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，在水浴条件下将pf127和三乙胺溶于无水二氯甲烷中，形成混合溶液a；在氮气环境下，在混合溶液a中加入丙烯酰氯，获得双键pf127；

5、步骤2，将am、lma和licl加入水中，获得溶液b，在溶液b中加入双键pf127，获得混合液c，将混合液c震荡溶解在水和甘油中，形成反应体系d；将反应体系d在设定温度一下放置，直至所有组分溶解，排出气泡后冷却至室温，获得混合溶液e；

6、步骤3，在混合溶液e中加入amps，然后加入bis、aps和temed，在设定温度二下反应，获得am-lma-amps-licl-水-甘油水凝胶，为粘性离子应变传感水凝胶。

7、本发明的进一步改进在于：

8、优选的，步骤1中，pf127、三乙胺和无水二氯甲烷的混合比例为(1-12.7)g：(50-500)μl：(50-100)ml。

9、优选的，步骤1中，丙烯酰氯和pf127的混合比例为(0.1-0.25)ml：(1-12.7)g。

10、优选的，步骤2中，am、lma和licl的混合比例为(0.1-0.25)g：(50-200)μl：(0.08-0.16)g。

11、优选的，步骤2中，水和甘油的体积比为1:1。

12、优选的，步骤2中，设定温度一为60-80℃。

13、优选的，步骤3中，amps和am的混合比例为(0.012-0.09)：(0.1-0.25)。

14、优选的，步骤3中，设定温度二为50-70℃，反应时间为30-50min。

15、一种通过上述任意一项所述制备方法制得的粘性离子应变传感水凝胶，包括am和amps形成的聚合物网络，聚合物网络被水和甘油包裹；聚合物网络中穿插有lma胶束，聚合物网络中穿插有离子通道，所述离子通道由licl与amps组成。

16、一种粘性离子应变传感水凝胶的应用，应用于人体监测、电子皮肤和可穿戴设备中。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、本发明公开了一种粘性离子应变传感水凝胶的制备方法，该水凝胶为一种am-lma-amps-licl-水-甘油离子传导水凝胶，制备过程中疏水单体甲基丙烯酸月桂酯(lma)在表面活性剂pf127作用下聚集形成疏水缔合中心，licl分散在水凝胶前驱体溶液中，随后am和amps在aps和temede的作用下发生双键聚合反应形成聚合物网格，licl与两性离子amps共同构成离子通道，lma胶束在聚合物网格中均匀存在，会部分与聚合物网络主体之间共聚，水和甘油将整个网络包裹，形成具有优异的机械柔韧性、耐温性和导电性的离子传导水凝胶。lma胶束的加入扩大了检测范围(0-1800％)，使得整个水凝胶具有较大得劲检测范围。

19、本发明还公开了一种粘性离子应变传感水凝胶，该水凝胶中的组成为am-lma-amps-licl-水-甘油，由于疏水缔合，lma的添加可以增加交联点的强度和密度，并可以有效防止裂纹的扩展和吸收耗散能量，从而增加应变范围。水/甘油二元溶剂有助于水凝胶在极端条件下的稳定性。因为二元溶剂可以引入氢键，这可以提高其在极端条件下的稳定性和保水能力。具体而言，甘油的引入破坏了大面积冰晶的形成，赋予了水凝胶的防冻能力。此外，氢键的形成可以有效地保持水凝胶的水分，这有利于水凝胶在高温下的稳定性。添加li+可以形成强烈的水合作用，并破坏冰晶的形成，从而降低水的冰点。进一步地，li+的水合作用降低了游离水的含量并增加了结合水的含量，以保持水凝胶的水分，这使得水凝胶在极端环境中具有稳定性。

20、本发明还公开一种粘性离子应变传感水凝胶的应用，该水凝胶中amps和licl形成的离子通道提高了am lmaamps licl-水-甘油的电导率和灵敏度，使得水凝胶在极端条件下具有很强的电信号性能稳定性。同时通过多次模拟验证了离子通道的构造，并证明了am-lma-amps-licl-水-甘油水凝胶的高灵敏度机制。同时水凝胶在零下温度下表现出优异的机械性能稳定性，即使在-80℃下也保持完整而不冻结，并且在10个循环(0-1000％)内具有理想的抗疲劳性能，使得其在极端环境下，在长期人类行为监测方面也具有巨大潜力。该水凝胶可以与关节的运动保持一致，而不会断裂，并且适合实时监测人类行为，该水凝胶可以监测人类行为，并准确区分细微的行为差异，例如关节弯曲的不同角度。由于其稳定的机械性能、导电性和灵敏度，在人类行为监测方面具有广阔的前景，总的来说，am-lma-amps-licl-水-甘油离子传导水凝胶显示出人机交互的巨大潜力。