一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法与应用

本发明属于柔性可穿戴，具体涉及一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法与应用。

背景技术：

1、柔性可穿戴设备在当今科技发展中扮演着越来越重要的角色。这些设备不仅可以监测健康数据，还可以提供便捷的交互体验，成为人们日常生活中的必需品。然而，由于传统的硬性电子设备无法适应人体的曲线和变化，因此柔性可穿戴设备的发展变得至关重要。

2、为了实现柔性可穿戴电子设备的功能，导电纤维素水凝胶作为一种重要的材料被广泛应用。导电纤维素水凝胶在柔性可穿戴电子中具有诸多优势。首先，它具有优异的柔韧性和可塑性，可以与人体曲线完美贴合，提供舒适的佩戴体验。其次，导电纤维素水凝胶具有良好的导电性能，可以有效传输电信号，实现设备的正常运行。此外，导电纤维素水凝胶还具有良好的生物相容性，不会对人体皮肤造成刺激或过敏反应，符合医疗器械的相关要求。因此，导电纤维素水凝胶在柔性可穿戴电子设备中具有广阔的应用前景。

3、然而，导电纤维素水凝胶作为一种新型的导电材料，也存在一些劣势。首先，其导电性能可能受到温度、湿度等外界环境因素的影响，导致设备性能不稳定。其次，导电纤维素水凝胶的制备工艺相对复杂，生产成本较高，需要进一步优化和改进。因此，对导电纤维素水凝胶材料的研究和发展仍然具有重要意义。

4、基于现有技术存在的缺陷，本发明通过光固化技术快速制备导电纤维素水凝，并通过添加离子溶液得到高导电性、高柔性、高可拉伸性、稳定性、抗冻性和可控性的导电纤维素水凝胶，能够有效解决现有技术中的缺陷，满足柔性可穿戴电子设备对材料性能的严格要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光固化纤维素导电水凝胶的制备及其应用，以解决现有技术中的不足。本发明导电纤维素水凝胶具有良好的力学性能、导电性能、超高的拉伸性能、高韧性、良好的生物相容性和抗冻性，并且具有良好的自愈合性能。本发明导电纤维素水凝胶可应用于制备拉伸应变传感器，其电阻变化率与应变率成线性关系，具备高灵敏度、高稳定性与快速响应等优点。本发明操作简单，步骤简便，适用于人体运动检测和电子皮肤等多个相关的领域。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一、一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法

4、包括以下步骤：

5、1)将羧甲基纤维素加入水中，水浴超声，搅拌至完全溶解，得到纤维素溶液；

6、2)将氯化钠加入纤维素溶液中，均匀搅拌，水浴超声，得到混合溶液a；

7、3)将无水氯化钙和三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦加入乳酸和丙烯酸的混合溶液中，均匀搅拌，水浴超声至完全溶解，得到混合溶液b；

8、4)将混合溶液b缓慢加入混合溶液a中，均匀搅拌，水浴超声，得到光固化复合墨水，并在紫外光条件下反应，即得所述光固化纤维素导电水凝胶。

9、所述步骤1)中，羧甲基纤维素和水的质量体积比为1-3g:(50-100)ml。

10、所述步骤2)中，氯化钠和步骤1)的羧甲基纤维素的质量比为(0.1-0.5):1。

11、所述步骤3)中，无水氯化钙和步骤1)的羧甲基纤维素的质量比为(0.1-1):1；三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦和丙烯酸的质量比为(0.01-0.04):1。

12、所述步骤3)中，丙烯酸和步骤1)的羧甲基纤维素的质量比为(10-50):1。

13、所述步骤3)中，乳酸和步骤1)的羧甲基纤维素的质量比为(5-25):1。

14、所述步骤4)中，水浴搅拌的温度为20-40℃，转速为1000-2000r/min，时间为0.5-2h；紫外光固化时间为5-30min。

15、所述步骤1)、步骤2)、步骤3)和步骤4)中的水浴超声时间为5-30min。

16、二、一种光固化纤维素导电水凝胶的应用

17、采用上述制备方法制得的光固化纤维素导电水凝胶在传感器中的应用。

18、所述传感器为拉伸应变传感器，制备方式为：将导电水凝胶裁剪后两端用导电银胶与铜线连接，铜线连接至数字万用表用于测量电阻。

19、将水凝胶贴合并固定在需测试的部位，复合导电水凝胶的电阻随测试部位的形变而发生变化。

20、本发明的有益效果：

21、1、本发明合成了光固化纤维素导电水凝胶。丙烯酸聚合生成聚丙烯酸作为复合水凝胶的框架，羧甲基纤维素和乳酸与钙离子形成氢键，聚丙烯酸羧基和钙离子以及纤维素上的羟基形成氢键，形成了双交联网络保证其拉伸性能，柔韧性和自愈合性。

22、2、本发明通过紫外光固化法制得的纤维素导电凝胶不仅能够降低生产成本，还可以提高材料的稳定性和可控性，关键是操作简单，反应速度快，非常适合工业化生产。

23、3、本发明制得的光固化纤维素导电水凝胶无毒，生物兼容性好，无二次污染，并且具有抗冻性能(零下不会被冻成冰，依旧具有较强的导电性、拉伸性)。

24、4、本发明制得的光固化纤维素导电水凝胶传感性能优异(出色的灵敏度，宽测量范围和优异的稳定性)，可用于人体健康检测，具有较高的商业价值和实际应用前景。

技术特征：

1.一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，羧甲基纤维素和水的质量体积比为1-3g:(50-100)ml。

3.根据权利要求1所述的一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，氯化钠和步骤1)的羧甲基纤维素的质量比为(0.1-0.5):1。

4.根据权利要求1所述的一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，无水氯化钙和步骤1)的羧甲基纤维素的质量比为(0.1-1):1；三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦和丙烯酸的质量比为(0.01-0.04):1。

5.根据权利要求1所述的一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，丙烯酸和步骤1)的羧甲基纤维素的质量比为(10-50):1。

6.根据权利要求1所述的一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，乳酸和步骤1)的羧甲基纤维素的质量比为(5-25):1。

7.根据权利要求1所述的一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，水浴搅拌的温度为20-40℃，转速为1000-2000r/min，时间为0.5-2h；紫外光固化时间为5-30min。

8.根据权利要求1所述的一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1)、步骤2)、步骤3)和步骤4)中的水浴超声时间为5-30min。

9.一种光固化纤维素导电水凝胶的应用，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述制备方法制得的光固化纤维素导电水凝胶在传感器中的应用。

10.根据权利要求9所述的光固化纤维素导电水凝胶的应用，其特征在于，所述传感器为拉伸应变传感器，制备方式为：将导电水凝胶裁剪后两端用导电银胶与铜线连接，铜线连接至数字万用表用于测量电阻；

技术总结
本发明公开了一种光固化纤维素导电水凝胶的制备方法与应用。包括：1)将纤维素加入水中，水浴搅拌，得到纤维素溶液；2)将氯化钠加入纤维素溶液中，搅拌均匀，得到混合溶液A；3)将无水氯化钙和光固化剂加入丙烯酸和乳酸混合液中，均匀搅拌得到混合溶液B；4)将B加入A中，并在紫外光条件下反应，即得光固化纤维素导电水凝胶。本发明导电纤维素水凝胶具有良好的力学性能、超高的拉伸性能、高韧性、良好的生物相容性和抗冻性，并且具有良好的自愈合性能；可应用于制备拉伸应变传感器，具有高灵敏度和响应迅速，较大的检测范围等特点；本发明操作简单，步骤简便，适用于人体运动检测和电子皮肤等多个相关的领域。

技术研发人员：吴育杭,李宇文,陶冶
受保护的技术使用者：浙大城市学院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17