一种多功能有机离子凝胶、传感器及其制备方法

本发明属于多功能聚合物材料，具体涉及一种多功能有机离子凝胶、传感器及其制备方法。所述的离子凝胶为一种具有抗冲击、传感性能和人体运动监测性能的多功能有机离子凝胶。

背景技术：

1、近年来，随着软机器人和柔性可穿戴电子设备的快速发展，传感器研究进入了前所未有的关键阶段。然而，随着社会的不断进步，对传感器性能的需求一直在稳步增加。这在可穿戴技术领域尤为明显。

2、水凝胶作为一种很有前途的离子导电弹性材料，由于其透明性和可拉伸性而备受关注。另一方面，传统水凝胶由于其机械性能、结构稳定性以及对低温和干燥环境的敏感性而面临限制。公开号为cn114719733a的中国专利公开了一种具有一种自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器，然而这种水凝胶传感器的机械性能过于脆弱，不具备抵抗冲击的能力，这不利于在实际应用中可能存在的复杂工况。

3、此外，目前的柔性传感器大多不具备检测微小应变的能力。公开号为cn114044920a的中国专利公开了一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料，但是，其对微小应变的检测显然是不足，因此迫切的需要集抗冲击和高传感性能于一体的多功能柔性传感器。遗憾的是，抗冲击、微小应变检测的多功能集成的柔性传感器仍然是一大挑战，这也是制约其应用的关键因素。

4、从目前所公开的专利来看，同时具有优异的传感性能和力学防护的柔性传感器研究还较少，开发具有力-电耦合特性的可穿戴柔性传感器设备是十分必要的，有望进一步应用于人体日常运动与抗冲击防护领域。

技术实现思路

1、针对现有传统水凝胶传感器强度和微小应变感知性能差等技术问题，本发明改进传统技术的不足，提供一种多功能有机离子凝胶、传感器及其制备方法。所述传感器为一种具有抗冲击和优异传感性能的有机离子凝胶传感器。

2、具体来说，本发明通过如下技术方案实现：

3、一种多功能的有机离子凝胶，所述的多功能有机离子凝胶是由离子液体、乙二醇和聚乙烯醇在70～160摄氏度下聚合，再在-80～-20摄氏度下冷冻结晶得到的产物。

4、进一步地，所述的多功能有机离子凝胶是由离子液体、乙二醇和聚乙烯醇在70～160摄氏度(例如，70摄氏度、75摄氏度、80摄氏度、85摄氏度、90摄氏度、95摄氏度、100摄氏度、105摄氏度、110摄氏度、115摄氏度、120摄氏度、125摄氏度、130摄氏度、135摄氏度、140摄氏度、145摄氏度、150摄氏度、155摄氏度或160摄氏度)下聚合，再在-80～-20摄氏度(例如，-80摄氏度、-75摄氏度、-70摄氏度、-60摄氏度、-50摄氏度、-40摄氏度、-30摄氏度或-20摄氏度)下冷冻结晶得到的产物。

5、进一步地，所述的多功能有机离子凝胶的溶剂是由离子液体和乙二醇在70～160摄氏度(例如，70摄氏度、75摄氏度、80摄氏度、8摄氏度、90摄氏度、95摄氏度、100摄氏度、105摄氏度、110摄氏度、115摄氏度、120摄氏度、125摄氏度、130摄氏度、135摄氏度、140摄氏度、145摄氏度、150摄氏度、155摄氏度或160摄氏度)下混合形成的二元溶剂。

6、进一步地，所述的多功能有机离子凝胶的导电介质为离子液体中的正、负离子电荷。

7、一种制备如上任一所述的多功能有机离子凝胶的制备方法，所述方法包括以下步骤:

8、a)将离子液体和乙二醇在70～160摄氏度下搅拌混合均匀，得到混合溶液；

9、b)随后，将聚乙烯醇引入到上述步骤a)得到的混合溶液中，并在70～160摄氏度下搅拌1～6小时，得到混合物；

10、c)将步骤b)所得混合物倒入模具中，并在-80～-20摄氏度下冷冻1～72小时，得到多功能有机离子凝胶。

11、进一步地，步骤a)中，所述乙二醇与所述离子液体的体积比为2～50：1。例如，所述乙二醇与所述离子液体的体积比为2：1、3：1、4：1、5：1、6：1、7：1、8：1、9：1、10：1、11：1、12：1、13：1、14：1、15：1、16：1、17：1、18：1、19：1、20：1、21：1、22：1、23：1、24：1、25：1、26：1、27：1、28：1、29：1、30：1、31：1、32：1、33：1、34：1、36：1、38：1、40：1、42：1、44：1、46：1、48：1或50：1。

12、进一步地，所述离子液体是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

13、进一步地，步骤b)中，所述乙二醇与所述离子液体组成的二元溶剂与所述聚乙烯醇的质量比为2～20：1。例如，所述乙二醇与所述离子液体组成的二元溶剂与所述聚乙烯醇的质量比为2：1、3：1、4：1、5：1、6：1、7：1、8：1、9：1、10：1、11：1、12：1、13：1、14：1、15：1、16：1、17：1、18：1、19：1或20：1。

14、一种多功能有机离子凝胶传感器，所述离子凝胶传感器具有抗冲击、传感和人体运动监测性能，所述传感器的制备方法如下：将如上任一项所述的有机离子凝胶或者如上任一项所述的方法制备的有机离子凝胶两端安装导线，得到所述的多功能有机离子凝胶传感器。

15、在本发明的一个实施方案中，其特征在于：具有出色的力学性能，包括强度达到3.01兆帕和延展性达到820％。

16、在本发明的一个实施方案中，所述的多功能有机离子凝胶，落锤50厘米高度冲击时能够显著衰减外界冲击力(72.6％)。

17、在本发明的一个实施方案中，所述的多功能有机离子凝胶，140米每秒下的高速弹道冲击时相比商业聚乙烯泡沫塑料提高五倍的能量耗散能力。

18、在本发明的一个实施方案中，所述的多功能有机离子凝胶，所述的多功能有机离子凝胶是由离子液体、乙二醇和聚乙烯醇在70～160摄氏度下聚合，再在-20～-80摄氏度下冷冻结晶得到的产物。

19、在本发明的一个实施方案中，所述的多功能有机离子凝胶，所述的多功能有机离子凝胶具有稳定、均匀且高度有序的内部导电网络，其中导电介质为离子液体中的正、负离子电荷。

20、在本发明的一个实施方案中，所述的多功能有机离子凝胶，所述的多功能有机离子凝胶需将离子液体加入到乙二醇中在70～160摄氏度下混合五分钟形成均匀的二元溶剂。

21、在本发明的一个实施方案中，一种多功能的传感器具体指的是具有抗冲击、传感性能和人体运动监测性能的多功能有机离子凝胶，其制备方法，包括如下步骤：

22、(1)将一定量的离子液体添加到乙二醇中在70～160摄氏度下搅拌1～60分钟混合均匀形成离子液体/乙二醇二元溶剂；

23、(2)随后，将一定量的聚乙烯醇引入到上述二元溶剂中，并在70～160摄氏度下搅拌1～6小时，获得聚乙烯醇/离子液体/乙二醇混合溶液；

24、(3)将步骤(2)所得混合物倒入定制的聚四氟乙烯模具中，并在-20～-80摄氏度下冷冻1～72小时，得到多功能有机离子凝胶。

25、在本发明的一个实施方案中，所述的多功能有机离子凝胶，所述乙二醇与所述离子液体的体积比为2～50：1；优选地，所述乙二醇与所述离子液体的体积比为25：1；再优选地，所述乙二醇与所述离子液体的体积比为10：1；更优选地，所述乙二醇与所述离子液体的体积比为25：2；

26、8、在本发明的一个实施方案中，所述的多功能有机离子凝胶，所述乙二醇与所述离子液体组成的二元溶剂与所述聚乙烯醇的质量比为4～20：1；优选地，所述乙二醇与所述离子液体组成的二元溶剂与所述聚乙烯醇的质量比为20：1；优选地，所述乙二醇与所述离子液体组成的二元溶剂与所述聚乙烯醇的质量比为10：1；再优选地，所述乙二醇与所述离子液体组成的二元溶剂与所述聚乙烯醇的质量比为20：3；更优选地，所述乙二醇与所述离子液体组成的二元溶剂与所述聚乙烯醇的质量比为5：1；更优选地，所述乙二醇与所述离子液体组成的二元溶剂与所述聚乙烯醇的质量比为4：1；

27、本发明存在以下有益效果：所制备的多功能有机离子凝胶具有出色的力学性能，包括强度达到3.01兆帕和延展性达到820％；落锤50厘米高度冲击时能够显著衰减外界冲击力(72.6％)；140米每秒下的高速弹道冲击时相比商业聚乙烯泡沫塑料提高五倍的能量耗散能力；所述的多功能有机离子凝胶具有稳定、均匀且高度有序的内部导电网络，其中导电介质为离子液体中的正、负离子电荷。