一种力学增韧且可低温应用的聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶、制备方法及应用

本发明涉及复合离子凝胶材料以及智能可穿戴传感器领域，具体是涉及一种力学增韧且可低温应用的聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶、制备方法及应用。

背景技术：

1、近年来，导电水凝胶在柔性穿戴电子领域的巨大应用前景而备受瞩目。然而，其容易受环境影响脱水，导致机械性能和传感性能不稳定。此外，在低温条件下，水凝胶材料的韧性和电学性能都受到严重影响，这限制了它在低温环境下的应用。因此，开发具备优异机械、电学性能和低温工作性能的导电凝胶是当前的研究热点。

2、为解决上述问题，离子凝胶通过使用离子液体替代水相成为研究焦点，它具有非挥发性、高稳定性和优良的导电性，是理想的水凝胶替代品。然而，传统的离子凝胶常常缺乏足够的拉伸性和韧性，复杂形变容易造成机械损伤。因此，如何制备高度拉伸、优异韧性和低温工作性能的离子凝胶是目前的技术挑战。

3、为此，本发明使用离子液体替代目前paa水凝胶中的大部分水分，并将溶解在水中的果糖分子引入至聚丙烯酸网络中，创制了一种新型复合离子凝胶材料。该材料不仅展现了出色的机械性能，还在低温环境中表现出卓越的工作性能，特别适用于柔性可穿戴传感器领域。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提供了一种力学增韧且可低温应用的聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶、制备方法，并探索了其在低温条件下可穿戴传感器领域的应用。所制备的复合导电离子凝胶具有优异的延展性和韧性，常温条件下保持长时间稳定性，并能在低温环境中正常工作。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶的制备方法，是通过光引发自由基聚合法进行制备，首先，将光引发剂(i2959)混合于丙烯酸(aa)单体中，充分溶解后，依次加入果糖水溶液、离子液体(bmim[bf4])以及交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(bisa)，充分溶解混合得到凝胶前驱溶液；然后，将所得的凝胶前驱溶液倒入聚四氟乙烯模具中，进行紫外光固化交联处理，从而制得果糖改性的丙烯酸复合离子凝胶，即聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶。

4、作为本发明的优选技术方案，该制备方法中：

5、丙烯酸(aa)与果糖的质量比为50～100:1，丙烯酸(aa)与光引发剂(i2959)的质量比为80～120:1，丙烯酸(aa)与n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(bisa)的质量比为250～350:1，丙烯酸(aa)与离子液体(bmim[bf4])的质量比为1:2～3。

6、丙烯酸(aa)与配制果糖水溶液所使用的去离子水的质量比为2～4:1，交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(bisa)通过加入离子液体(bmim[bf4])配制溶液滴入反应体系，配制的n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(bisa)溶液浓度为4～6mg/ml。

7、配制凝胶前驱溶液采用磁力搅拌，搅拌温度为25～30℃，搅拌转速为300～400rpm。

8、光固化交联反应温度为25～30℃，反应时间为20～30min。

9、本发明所提出的这种力学增韧且可低温应用的聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶，由果糖改性的丙烯酸复合离子凝胶组成，电导率为0.15-0.35s/m。可应用在检测人体运动的可穿戴传感器中。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

11、1、本发明通过在paa凝胶网络中引入果糖分子，显著提高了凝胶的延展性与韧度。同时，果糖本身具备出色的抗冻特性，再加上复合凝胶材料中大量采用离子液体替代水，确保了该材料具有高度的环境稳定性，且在低温条件下展现出卓越的韧性，为智能可穿戴传感器技术在不同环境中的长期稳定应用提供了理想材料。

12、2、本发明利用离子液体的低挥发性以及其与水之间强烈的相互作用，协同聚丙烯酸与果糖之间氢键网络的构筑，使得制备的该凝胶体系在常温下表现出极高的韧性和环境稳定性。尤其在低温条件其韧性进一步得到提升，同时还展现出杰出的抗冻和传感性能。

技术特征：

1.一种力学增韧且可低温应用的聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶，其特征在于，由果糖改性的丙烯酸复合离子凝胶组成，电导率为0.15-0.35s/m。

2.一种制备如权利要求1所述聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶的方法，是通过光引发自由基聚合法进行制备，其特征在于，首先，将光引发剂(i2959)混合于丙烯酸(aa)单体中，充分溶解后，依次加入果糖水溶液、离子液体(bmim[bf4])以及交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(bisa)，充分溶解混合得到凝胶前驱溶液；然后，将所得的凝胶前驱溶液倒入聚四氟乙烯模具中，进行紫外光固化交联处理，从而制得果糖改性的丙烯酸复合离子凝胶，即聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，丙烯酸(aa)与果糖的质量比为50～100:1，丙烯酸(aa)与光引发剂(i2959)的质量比为80～120:1，丙烯酸(aa)与n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(bisa)的质量比为250～350:1，丙烯酸(aa)与离子液体(bmim[bf4])的质量比为1:2～3。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，丙烯酸(aa)与配制果糖水溶液所使用的去离子水的质量比为2～4:1，交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(bisa)通过加入离子液体(bmim[bf4])配制溶液滴入反应体系，配制的n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(bisa)溶液浓度为4～6mg/ml。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，配制凝胶前驱溶液采用磁力搅拌，搅拌温度为25～30℃，搅拌转速为300～400rpm。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，光固化交联反应温度为25～30℃，反应时间为20～30min。

7.一种如权利要求1所述力学增韧且可低温应用的聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶在检测人体运动的可穿戴传感器中的应用。

技术总结
一种力学增韧且可低温应用的聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶、制备方法及应用，涉及复合离子凝胶材料以及智能可穿戴传感器领域。首先，在丙烯酸溶液中加入光引发剂(I2959)，然后依次滴加果糖水溶液、BMIM[BF<subgt;4</subgt;]离子液体以及N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺溶液，再次搅拌均匀以得到凝胶前驱溶液。然后转移至聚四氟乙烯模具中，置于紫外光固化机中反应最终获得果糖改性的丙烯酸复合离子凝胶。本发明制备所得的聚丙烯酸/果糖复合导电离子凝胶，相比于水凝胶，既有纯离子凝胶的环境稳定性和低温下的力学性能，同时又比纯离子凝胶的韧性强，为复合导电离子凝胶和智能可穿戴技术提供了广泛的应用前景。

技术研发人员：卫春祥,柏国桁,杨伟,余少宇,鲁红典
受保护的技术使用者：合肥学院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6