一种耐低温导电水凝胶及其制备方法与应用

本发明涉及导电水凝胶，具体涉及一种耐低温导电水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、5g时代的来临，使可穿戴设备成为了智能时代最令人兴奋的材料，未来，柔性传感器将在智能时代发挥更重要的作用，并将给我们的日常生活带来巨大的改变。柔性传感器克服了传统刚性传感器硬而脆的缺陷，具有柔韧性、优异地贴合性和较高的灵敏度，能够完美地贴合于不规则形状的动态表面，满足当代电子设备便携性、小型化和智能化的需求。柔性传感器可以将外界的动态形变、温度、湿度等转换成可视化的电信号，实现多领域的应用。

3、水凝胶是一种具有三维网络结构和物理化学性能可调的软材料，具有皮肤般的柔软性和弹性可恢复性及良好的生物相容性，是制备多功能柔性传感器的理想材料。然而，水凝胶含有大量的水，高温和长时间的常温储存会引起凝胶内部水分子蒸发，低温会促使凝胶中的水分子冻结，使得水凝胶变得坚硬而失去柔性，这严重影响了水凝胶的性能，导致水凝胶在应用于柔性传感器时难以应对日常使用条件的变化。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明提供了一种耐低温导电水凝胶及其制备方法与应用。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面，提供一种耐低温导电水凝胶，所述耐低温导电水凝胶包括明胶、瓜尔豆胶、硼砂、导电材料和改性剂；

4、所述导电水凝胶为双网络结构，所述双网络结构包括：明胶和瓜尔豆胶内部的氢键以及明胶和瓜尔豆胶之间的氢键构成了物理交联的第一网络，瓜尔豆胶与硼砂形成的硼酸酯动态共价键及明胶和硼砂之间均形成的硼酸酯动态共价键构成了化学交联的第二网络；

5、所述导电材料为液态金属镓；所述改性剂为氯化胆碱。

6、明胶内部的氢键、瓜尔豆胶内部的氢键以及明胶和瓜尔豆胶之间的氢键构成了物理交联的第一网络，瓜尔豆胶与硼砂形成的硼酸酯动态共价键及明胶和硼砂之间均形成的硼酸酯动态共价键构成了化学交联的第二网络，双网络结构的导电水凝胶在保持水凝胶优异的力学性能的同时提升了水凝胶的自愈合能力。液态金属镓提升水凝胶的导电性和柔韧性，提高导电水凝胶对形变和温度的灵敏度。氯化胆碱可以有效的降低水的凝固点，提高了水的沸点，进而抑制了导电水凝胶的冻结和水分蒸发，提升导电水凝胶的耐低温性能。

7、本发明的第二个方面，提供上述耐低温导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)将金属镓溶于去离子水中，向溶液中依次加入明胶、硼砂、氯化胆碱，进行第一次搅拌；

9、(2)第一次搅拌完成后加入瓜尔豆胶，进行第二次搅拌，第二次搅拌完成后在室温下静置，获得导电水凝胶。

10、本发明的第三个方面，提供上述耐低温导电水凝胶在可穿戴柔性传感器领域中的应用。

11、本发明的有益效果在于：

12、(1)本发明提供的耐低温导电水凝胶，明胶内部的氢键和瓜尔豆胶内部的氢键以及明胶和瓜尔豆胶之间的氢键构成了物理交联的第一网络，瓜尔豆胶与硼砂形成的硼酸酯动态共价键及明胶和硼砂之间均形成的硼酸酯动态共价键构成了化学交联的第二网络，双网络结构的导电水凝胶在保持水凝胶优异的力学性能的同时提升了水凝胶的自愈合能力。液态金属镓提升水凝胶的导电性和柔韧性，提高导电水凝胶对形变和温度的灵敏度。氯化胆碱可以有效的降低水的凝固点，提高了水的沸点，进而抑制了导电水凝胶的冻结和水分蒸发，提升水凝胶的耐低温性能。导电水凝胶中丰富的氨基、羟基和羧基能够与基底材料表面形成非共价键，可以牢固地粘附在不同材料表面。

13、(2)将导电水凝胶与导线连接成柔性传感器后，不仅可以贴附于人体不同部位监测人体运动变化时的应变，还可以实时监测环境温度的变化。当导电水凝胶发生拉伸应变时，导电水凝胶内部的多孔结构被压缩，离子的迁移速率变慢，导电水凝胶的导电性下降，电阻增加；当导电水凝胶恢复到初始形变时，电阻恢复到初始值，可以将应变转变成可识别的电阻值变化，并且表现出高的灵敏度、重复性和稳定性。当温度升高时，导电水凝胶中的分子热运动加剧，离子的迁移速率加快，导电水凝胶的导电性增强，电阻下降，当恢复到初始温度时，电阻恢复到初始值，可以将温度变化转换成电阻值的变化，并且对温度具有高的灵敏度和稳定性。

技术特征：

1.一种耐低温导电水凝胶，其特征在于，所述耐低温导电水凝胶包括明胶、瓜尔豆胶、硼砂、导电材料和改性剂；

2.如权利要求1所述的耐低温导电水凝胶，其特征在于，金属镓、明胶、硼砂、氯化胆碱和瓜尔豆胶的质量比为：0.00025～0.0115:0.35～1.55:0.1～0.15:1.5～2.0:0.15～0.40。

3.如权利要求2所述的耐低温导电水凝胶，其特征在于，金属镓、明胶、硼砂、氯化胆碱和瓜尔豆胶的质量比为：优选为0.008:1.08:0.12:1.815:0.3。

4.权利要求1～3任一项所述的耐低温导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的耐低温导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述金属镓溶于去离子水时的温度为30～35℃，优选为30℃。

6.如权利要求4所述的耐低温导电水凝胶的制备方法，其特征在于，第一次搅拌的温度为35～45℃，优选为40℃；第一次搅拌的时间为0.5～1.5h，优选为1h。

7.如权利要求4所述的耐低温导电水凝胶的制备方法，其特征在于，第二次搅拌的温度为35～45℃，优选为40℃；第二次搅拌的时间为1.5～2.5h，优选为2h。

8.如权利要求4所述的耐低温导电水凝胶的制备方法，其特征在于，室温下静置的时间为10～14h，优选为12h。

9.如权利要求4所述的耐低温导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述金属镓、去离子水、明胶、硼砂、氯化胆碱和瓜尔豆胶的质量比为：

10.权利要求1～3任一项所述的耐低温导电水凝胶或权利要求4～9任一项所述的导电水凝胶的制备方法制备的耐低温导电水凝胶在可穿戴柔性传感器领域中的应用。

技术总结
本发明涉及导电水凝胶技术领域，具体涉及一种耐低温导电水凝胶及其制备方法与应用。耐低温导电水凝胶包括明胶、瓜尔豆胶、硼砂、导电材料和改性剂；导电水凝胶为双网络结构，导电材料为金属镓；改性剂为氯化胆碱。双网络结构的导电水凝胶在保持水凝胶优异的力学性能的同时提升了水凝胶的自愈合能力。液态金属镓提升水凝胶的导电性和柔韧性，提高导电水凝胶对形变和温度的灵敏度。氯化胆碱可以有效的降低水的凝固点，提高水的沸点，进而抑制了导电水凝胶的冻结和水分蒸发，提升导电水凝胶的耐低温性能。

技术研发人员：宋沙沙,赵榕榕,赵增典,林惠娟
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11