一种具有微相分离结构的多功能水凝胶及其制备方法和应用

本发明涉及柔性可穿戴传感器领域，具体涉及一种具有微相分离结构的多功能水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、皮肤是人体全方位、用途最广的器官，它能够为人体提供保护并接受外界的感官刺激。人造电子皮肤是模仿天然皮肤多种感官功能和独特的机械性能而设计的，目前已被广泛应用于先进机器人、智能医疗诊断、皮肤可穿戴设备和人机界面等领域。人体皮肤作为体感系统的主要组成部分，通过不同的机械感受器，可以感受到多种不同的刺激，并且在不受干扰的情况下将多种刺激信号进行解耦，具有高度的区分性。此外，皮肤具有良好的机械性能，包括柔性、回弹性、抗疲劳和拉伸变硬行为，这使得内部的机械感受器能够以高传感精度、循环可靠性和抵抗外界干扰的鲁棒性进行感知。

2、受天然皮肤离子导电性和含水特性的启发，基于聚合物水凝胶的可拉伸离子导体已经得到广泛研究，其在设计和开发人工感知电子皮肤方面显示出巨大的潜力。截至目前，离子水凝胶已被普遍应用于可穿戴传感设备的设计中，这些设备可以检测诸如应变、压力或温度等信号的刺激。尽管离子水凝胶传感器的发展取得了显著的进步，但作为一项长期挑战，目前尚没有一种可拉伸的离子水凝胶同时具有信号独立且性能优异的多传感功能、类皮肤的机械性能、理想的防冻保水性能以及鲁棒性等。

3、此外，虽然可拉伸离子导电水凝胶被广泛研究和报道，但大多数水凝胶不能同时兼具类似皮肤的机械性能、物理性能、防冻性能。首先，传统的聚合物水凝胶在拉伸性和迟滞性之间存在制衡；其次，聚合物水凝胶在其拉伸性和离子电导率之间表现出另一种制衡；然后，在抗冻性能和常规水凝胶的机械性能之间也存在制衡。因此，同时具有类似皮肤的独立多传感功能、力学性能优异以及抗冻性能良好的可拉伸离子水凝胶目前尚无报道。

技术实现思路

1、基于此，本发明提供了一种具有微相分离结构的多功能水凝胶及其制备方法和应用，以解决现有技术中大多数水凝胶不能同时兼具类似皮肤的机械性能、物理性能、防冻性能的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种具有微相分离结构的多功能水凝胶的制备方法，其包括以下步骤：

3、s1、将丙烯酰胺单体、两性离子单体、交联剂n，n'-亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶于去离子水中配置成第一网络前驱体溶液，紫外光照下聚合，得到第一网络水凝胶；

4、s2、将聚合物电解质单体、n，n'-亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶于去离子水中配置成第二网络前驱体溶液；

5、s3、将第一网络水凝胶浸泡于第二网络前驱体溶液中，达到溶胀平衡后取出，紫外光照下聚合，使得第二网络前驱体溶液在第一网络水凝胶的基础上交联成第二网络水凝胶，最终得到具有微相分离结构的多功能水凝胶。

6、作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一网络前驱体溶液中，丙烯酰胺单体的浓度为1.0-8.5m，两性离子单体的浓度为0.5-2.5m，丙烯酰胺单体和引发剂的摩尔比为125:1-100:1。

7、作为本发明的进一步优选技术方案，所述第二网络前驱体溶液中聚合物电解质单体的浓度为1.0-9.0m。

8、作为本发明的进一步优选技术方案，所述两性离子单体为甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(sbma)、2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(mpc)、羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯(cbma)、羧基甜菜碱丙烯酰胺(cbaa)中的一种或几种。

9、作为本发明的进一步优选技术方案，所述聚合物电解质单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠、烯丙基磺酸钠、对苯乙烯磺酸钠、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种或几种。

10、作为本发明的进一步优选技术方案，步骤s1和s2中，紫外光照聚合的条件为：365nm紫外光，聚合时间为10-300min。

11、根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种具有微相分离结构的多功能水凝胶。

12、作为本发明的进一步优选技术方案，所述多功能水凝胶内部包含水富集相和固体聚合物富集相，水富集相和固体聚合物富集相的区域形成微相分离结构，其中固体聚合物富集相的尺寸为40-120μm。

13、根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种具有微相分离结构的多功能水凝胶的应用，将多功能水凝胶用于制备温度传感器、压力传感器或无接触传感器。

14、作为本发明的进一步优选技术方案，将多功能水凝胶作为柔性介电材料包裹于柔性电极，通过压电电容效应制作成压力传感器；或者，将多功能水凝胶作为离子热电材料包裹于柔性电极，通过离子热电效应制作为温度传感器；或者，将多功能水凝胶作为电极，以丙烯酸泡棉(vhb)作为介电层，通过边缘场效应制作为无接触传感器。

15、本发明的具有微相分离结构的多功能水凝胶及其制备方法和应用，采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：

16、1)本发明通过优化交联剂和单体的比例制备方法得到高度缠结的第一网络；同时，在第一网络中引入两性离子单体，第二网络中引入带相反电荷的聚合物电解质单体，利用第一网络和第二网络之间的静电耦合相互作用构建得到具有微相分离结构的双网络水凝胶。

17、2)本发明制备方法制备得到的多功能水凝胶，具有优异的力学性能，其断裂伸长率大于800％，杨氏模量低于200kpa，回弹率超过90％，能量耗散系数低于5％。

18、3)得益于聚合物电解质网络中水合离子的形成以及高度密集的电荷分布，本发明制备方法得到的双交联网络水凝胶具有极强的保水性、抗冻性以及较高的离子电导率。

19、4)本发明得到的离子水凝胶传感器具备温度、压力、无接触传感功能，同时通过合理的结构设计实现三通道信号的传感和解耦功能；

20、5)由于聚合物电解质具有较强的水合能力，同时，其单体在聚合前与第一网络之间存在较强的相互作用，因此该发明得到的双网络离子水凝胶结构能够在变形中保持结构完整性和稳定性，表现为传感器在低温和拉伸条件下具有鲁棒性，极大推动了水凝胶在电子皮肤以及精准识别等不同场景中的实际应用。

技术特征：

1.一种具有微相分离结构的多功能水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有微相分离结构的多功能水凝胶的制备方法，其特征在于，所述第一网络前驱体溶液中，丙烯酰胺单体的浓度为1.0-8.5m，两性离子单体的浓度为0.5-2.5m，丙烯酰胺单体和引发剂的摩尔比为125:1-100:1。

3.根据权利要求1所述的具有微相分离结构的多功能水凝胶的制备方法，其特征在于，所述第二网络前驱体溶液中聚合物电解质单体的浓度为1.0-9.0m。

4.根据权利要求1所述的具有微相分离结构的多功能水凝胶的制备方法，其特征在于，所述两性离子单体为甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱、2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱、甲基丙烯酸羧酸甜菜碱、羧基甜菜碱丙烯酰胺中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的具有微相分离结构的多功能水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚合物电解质单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠、烯丙基磺酸钠、对苯乙烯磺酸钠、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的具有微相分离结构的多功能水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤s1和s2中，紫外光照聚合的条件为：365nm紫外光，聚合时间为10-300min。

7.一种具有微相分离结构的多功能水凝胶，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述制备方法制备得到。

8.根据权利要求7所述的具有微相分离结构的多功能水凝胶，其特征在于，所述多功能水凝胶内部包含水富集相和固体聚合物富集相，水富集相和固体聚合物富集相的区域形成微相分离结构，其中固体聚合物富集相的尺寸为40-120μm。

9.一种权利要求7或8所述的具有微相分离结构的多功能水凝胶的应用，其特征在于，将多功能水凝胶用于制备温度传感器、压力传感器或无接触传感器。

10.根据权利要求9所述的具有微相分离结构的多功能水凝胶的应用，其特征在于，将多功能水凝胶作为柔性介电材料包裹于柔性电极，通过压电电容效应制作成压力传感器；

技术总结
一种具有微相分离结构的多功能水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将丙烯酰胺单体、两性离子单体、交联剂和光引发剂溶于去离子水，光聚合，得到第一网络水凝胶；将第一网络水凝胶浸泡于含聚合物电解质单体、交联剂和光引发剂的去离子水中，溶胀平衡后，光聚合，得到多功能水凝胶。本发明第一网络的两性离子与第二网络电解质高分子形成强烈的分子间作用力，并与第一网络的高度缠结结构协同，促进水凝胶内部微相分离结构的形成，使所制得水凝胶具有高断裂伸长率、低模量、优异的拉伸循环性能、高回弹性、低迟滞、优异抗疲劳性能、拉伸变硬特性、良好的保水性、抗冻性能、高离子导电性以及优异离子热电性能。

技术研发人员：梁嘉杰,刘学
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15