一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶及其制备方法和应用

本发明属于柔性电子材料的，尤其涉及一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，可穿戴柔性电子器件中应变传感器可将外界刺激(拉伸、压缩、弯曲、膨胀等)转化为电信号，能够在人体健康监测、电子皮肤、人机交互系统、植入式设备等方面进行应用。而制备应变传感器的导电水凝胶多采用离子导电水凝胶作为原料，目前离子导电水凝胶通常是在单聚合物网络的聚合物基体中加入如氯化钠或氯化锂等可溶性盐，制备过程简单易得。

2、然而，这种制备方法存在以下问题：过量无机盐的掺入会不可避免地影响水凝胶的网络结构，降低水凝胶的离子电导率或机械性能；更重要的是，当这种水凝胶处于压缩或水环境中时，由于扩散效应，外部离子可能会泄漏，导致导电稳定性低；而基于单聚合物网络的水凝胶存在机械强度较弱的问题，限制了它某些方面的应用。

3、因此，有必要提供一种能够提高水凝胶力学性能和电学性能的、能够应用于柔性电子器件的导电水凝胶及其制备方法和应用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够应用于应变传感器，并具备高灵敏度、宽检测范围和快速响应等优点，能够提高水凝胶力学性能和电学性能的聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶及其制备方法和应用。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)制备阳离子聚合物：

5、将阳离子聚合物单体、引发剂、引发剂助剂溶于去离子水中形成混合液，通氮气25～35min后，升温至70～80℃恒温反应2.5～4h；降至室温之后，经过丙酮提纯，然后干燥、粉碎得到阳离子聚合物；

6、所述阳离子聚合物单体为丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、三甲基烯丙基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、乙烯亚胺中的一种；

7、所述阳离子聚合物单体的质量为混合液质量的30％～40％；引发剂质量为阳离子聚合物单体质量的0.03％～0.12％；所述引发助剂的质量为阳离子聚合物单体质量的0.02％～0.05％；

8、(2)制备聚丙烯酸钠/阳离子聚合物电解质溶液：

9、将0.10～0.20g/ml的聚丙烯酸钠水溶液与0.15～0.21g/ml的阳离子聚合物水溶液以1：1的体积比混合得到电解质溶液；

10、(3)制备聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶：

11、将聚乙烯醇溶于去离子水中，且聚乙烯醇质量为去离子水质量的10％～30％，在95～100℃下搅拌至完全溶解；然后加入上述制备的电解质溶液，搅拌混合均匀后倒入模具，在-30～-20℃下冷冻1.5～2h，形成水凝胶前体，取出后在25～28℃下陈化12～16h，得到聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶；

12、且所述电解质溶液体积为去离子水体积的20％～24％。

13、进一步的，所述步骤(1)中引发剂为过硫酸铵/亚硫酸氢钠、过硫酸铵、过硫酸钾中的一种。

14、进一步的，所述步骤(1)中，所述引发剂助剂为乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠中的一种。

15、进一步的，所述步骤(1)中干燥温度为40～60℃。

16、进一步的，所述步骤(1)中干燥时间为7～10h。

17、一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶，采用上述制备方法制备得到。

18、一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶的作为柔性电子器件中应变传感器的应用，所述传感器为拉伸应变传感器，具体组装步骤为：将导电水凝胶裁剪后用纳米双面胶封装，并在两端包裹导电铜箔胶带，将导电铜箔胶带连接至测量电阻的电化学工作站，将水凝胶贴合并固定在需要测试的待测部位。

19、进一步的，所述待测部位为手指、手腕、肘部和膝部中的任一部位。

20、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

21、(1)本发明制备了电解质溶液，然后引入到聚乙烯醇水凝胶中，赋予水凝胶良好稳定的导电性；

22、(2)本发明将聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶应用于组装应变传感器。该传感器具有出色的灵敏度和宽的检测范围以及一定的稳定性；

23、(3)本发明方法简单，具有良好的重复性，所制备的导电水凝胶可实现对形变的快速响应，可用于人体运动检测、健康等方面的应用。

24、具体的，本发明将聚丙烯酸钠阴离子聚合物与阳离子聚合物混合成电解质溶液，然后将其引入聚乙烯醇基水凝胶中，使得所制得的水凝胶具有高水含量和凝胶态结构。如此，本发明中导电水凝胶中含有内离子使其具有较高的离子导电性能，与传统的固态聚电解质相比，其水凝胶状态使得离子可以在多孔的水基质中移动，从而提高了电离子的扩散速率；此外，本发明中导电水凝胶的高水含量也有助于提高离子传输性能。

25、本发明的应用原理是当外力施加在聚电解质导电水凝胶上时，凝胶会发生压缩变形；随着凝胶的压缩变形，内部离子通道的形状和大小会发生改变，这会影响离子在凝胶中的传导速度和路径；当应变越大，离子通道的变化越明显，导致离子传导的电阻发生变化；通过测量聚电解质导电水凝胶中的电阻变化，可以间接地反映凝胶的应变程度。这种电阻变化可以与外力施加的大小和应变程度相关联，从而实现应变信号的检测和测量；因此其能够被广泛应用，特别是在柔性传感器中。

26、综上，本发明基于共价键的双网络水凝胶，设计得到具有内部自由离子的导电水凝胶来替代外部盐，制得的聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶具备高灵敏度、宽检测范围和快速响应等优点，能够提高水凝胶力学性能和电学性能，并被应用于柔性传感器。

技术特征：

1.一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中引发剂为过硫酸铵/亚硫酸氢钠、过硫酸铵、过硫酸钾中的一种。

3.如权利要求1所述的一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述引发剂助剂为乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠中的一种。

4.如权利要求1所述的一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中干燥温度为40～60℃。

5.如权利要求1所述的一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中干燥时间为7～10h。

6.一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶，其特征在于，采用如权利要求1-5中任意一项所述的制备方法制备得到。

7.一种如权利要求6所述的聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶的作为柔性电子器件中应变传感器的应用，其特征在于：所述传感器为拉伸应变传感器，具体组装步骤为：将导电水凝胶裁剪后用纳米双面胶封装，并在两端包裹导电铜箔胶带，将导电铜箔胶带连接至测量电阻的电化学工作站，将水凝胶贴合并固定在需要测试的待测部位。

8.如权利要求7所述的一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶的作为柔性电子器件中应变传感器的应用，所述待测部位为手指、手腕、肘部和膝部中的任一部位。

技术总结
本发明涉及柔性电子材料的技术领域，具体公开了一种聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：将阳离子聚合物单体、引发剂和引发剂助剂溶于去离子水形成混合液，通氮气后，升温并恒温反应；降至室温之后，经过丙酮提纯、干燥、粉碎得到阳离子聚合物；将聚丙烯酸钠水溶液与阳离子聚合物水溶液混合得到电解质溶液；将聚乙烯醇溶于去离子水中，搅拌至完全溶解；然后加入一定量上述制备的电解质溶液，搅拌混合均匀后倒入模具冷冻，形成水凝胶前体，取出后陈化得到聚乙烯醇基聚电解质导电水凝胶。本发明中导电水凝胶能应用于应变传感器，具高灵敏度、宽检测范围和快速响应等优点，提高了水凝胶力学性能和电学性能。

技术研发人员：宋洁,李一丹,李茜,王有乾,赖小娟
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16