一种无线充电用自修复离电型水凝胶及其制备方法和应用

本发明涉及水凝胶的无线充电领域，尤其是涉及一种无线充电用自修复离电型水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前主流的能量收集转换材料，如摩擦电发电机和压电发电机，存在一些局限性。摩擦电发电机易受到湿度的影响，并且具有多层复杂结构，增加了制造成本和维护难度；压电发电机的转换效率较低，难以产生高功率电能；而且这些发电机在长期承受高强度机械能的作用下，可能会遭受损伤，影响稳定性和可靠性。此外，用于驱动发电机的能源也存在局限性。例如，人体运动能的能量较低，而风能和潮汐能的利用则需要特定的环境条件，限制了发动机的应用场景。

2、导电水凝胶是一种能够感知外界刺激并将其转换为电信号的材料。除了在传感器领域的应用，导电水凝胶还因其能量收集和转换能力而受到关注。这种材料能够将人体运动能量、风能、海洋能、振动能等收集起来，并转换成电能，这有助于推动绿色能源的发展，缓解石油危机。由于其灵活性高，制造过程简单，导电水凝胶在可穿戴充电设备和无源传感系统等领域展现出广阔的应用前景。

3、因此，研究和开发新型的具有能量收集转换功能的导电水凝胶，对于提高能源利用效率和扩大应用范围具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无线充电用自修复离电型水凝胶及其制备方法和应用，为扩展水凝胶材料在无线充电中与生物相关领域的应用范围提供有效解决途径。

2、申请人在构思历程中认为：本发明利用可控的超声波能量作为驱动能源，自修复离电型水凝胶通过对超声波能量的收集与转换，可直接作为发电机，实现不同场景中的无线充电。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

4、一方面，本发明提供了一种无线充电用自修复离电型水凝胶，包括如下重量份数组分：

5、亲水聚合物40～90份

6、导电功能材料1～20份

7、碳酸钙10～20份

8、溶剂2000～4000份

9、进一步的，所述亲水聚合物为聚丙烯酸(paa)、聚丙烯酰胺(pam)、聚乙烯醇(pva)、聚乙二醇(peg)、聚氧化乙烯(peo)中的任一种。

10、优选的，所述亲水聚合物为paa。

11、进一步的，所述亲水聚合物的分子量为1000-10000000。

12、进一步的，所述导电功能材料为金属纳米颗粒/纳米线、液态金属、炭黑、石墨烯、碳纳米管、过渡金属碳氮化物(mxene)、导电聚合物、聚电解质中的任一种。

13、优选的，所述导电功能材料为mxene。

14、进一步的，所述碳酸钙由碳酸钠和氯化钙合成。

15、优选的，所述碳酸钠和氯化钙的质量比为1:(2～3)。

16、进一步的，所述溶剂为水。

17、另一方面，本发明提供了一种如上所述的无线充电用自修复离电型水凝胶的制备方法，将氯化钙溶液、亲水聚合物和导电功能材料搅拌混合均匀，再将碳酸钠溶液逐滴滴加至上述的混合溶液中得到所述离电型水凝胶。

18、优选的，所述氯化钙溶液、亲水聚合物和导电功能材料搅拌的时间为15～60min。

19、另一方面，本发明提供了一种如上所述的无线充电用自修复离电型水凝胶的应用，所述离电型水凝胶能够收集超声波能量并将超声波能量转换成电能，实现后续电子单元的无线充电。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、(1)本发明采用的亲水聚合物是柔软、可延展和可自修复的水凝胶基质，导电功能材料进一步提高了水凝胶的力学性能和导电性能，亲水聚合物和导电功能材料发生超分子协同作用，形成动态的物理纠缠网络，该网络赋予了水凝胶良好的力学适应性，使得离电型水凝胶具备很好的可塑性；当该网络受到外力而断裂时，超分子协同作用可以促进断裂界面上的聚合物链段发生扩散，并与导电功能材料或其他聚合物链段重新纠缠，从而形成了一个新的、完整的物理交联网络，使水凝胶拥有良好的自修复性能，即使是在高功率超声作用下，仍然不会破坏其结构，可以持续输出高电压电能。

22、(2)相比于传统的能量收集转换装置，本发明提供的离电型水凝胶材料制备工艺简单，在能量收集转换应用方面，操作简单，无需复杂的器件设计，能够实现不同场景中的无线充电，在可植入式设备的应用中有巨大的潜力，对构建物联网网络具有极大的推动作用。

技术特征：

1.一种无线充电用自修复离电型水凝胶，其特征在于，包括如下重量份数组分：

2.根据权利要求1所述的一种无线充电用自修复离电型水凝胶，其特征在于，所述亲水聚合物为聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧化乙烯中的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种无线充电用自修复离电型水凝胶，其特征在于，所述亲水聚合物的分子量为1000-10000000。

4.根据权利要求1所述的一种无线充电用自修复离电型水凝胶，其特征在于，所述导电功能材料为金属纳米颗粒/纳米线、液态金属、炭黑、石墨烯、碳纳米管、过渡金属碳氮化物、导电聚合物、聚电解质中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种无线充电用自修复离电型水凝胶，其特征在于，所述碳酸钙由碳酸钠和氯化钙合成。

6.根据权利要求1所述的一种无线充电用自修复离电型水凝胶，其特征在于，所述碳酸钠和氯化钙的质量比为1:(2～3)。

7.根据权利要求1所述的一种无线充电用自修复离电型水凝胶，其特征在于，所述溶剂为水。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的无线充电用自修复离电型水凝胶的制备方法，其特征在于，将氯化钙溶液、亲水聚合物和导电功能材料搅拌混合均匀，再将碳酸钠溶液逐滴滴加至上述的混合溶液中得到所述离电型水凝胶。

9.根据权利要求8所述的一种无线充电用自修复离电型水凝胶的制备方法，其特征在于，所述氯化钙溶液、亲水聚合物和导电功能材料搅拌的时间为15～60min。

10.一种如权利要求1-7中任一项所述的无线充电用自修复离电型水凝胶的应用，其特征在于，所述离电型水凝胶能够收集超声波能量并将超声波能量转换成电能，实现后续电子单元的无线充电。

技术总结
本发明涉及一种无线充电用自修复离电型水凝胶及其制备方法和应用，离电型水凝胶按照重量份，包括以下组分：亲水聚合物40～90份，导电功能材料1～20份，碳酸钙10～20份，溶剂2000～4000份，本发明可利用可控的超声波能量作为驱动能源，离电型水凝胶通过对超声波能量的收集与转换，实现不同场景中的无线充电。与现有技术相比，本发明制备工艺简单，制备的离电型水凝胶具有良好的可塑性和自修复性能，以及有优良的能量收集转换功能。

技术研发人员：雷周玥,韩耀倩,朱威妍,武培怡
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/10