[发明专利]PAA类双交联网络自愈合水凝胶电容式压力传感器

说明书

本发明属于新材料及传感器技术领域，公开了一种PAA(聚丙烯酸)类双交联网络自愈合水凝胶电容式压力传感器的制备方法，首先以丙烯酸和丙烯酰胺为基材，加入铁离子形成配位，形成均一的物理与化学交联双层三维网状结构，得到的水凝胶不仅具有强韧的机械性能，而且还具有快速自愈合的特性。为了充分利用水凝胶的特性，将其制作成两端导电层为自愈合水凝胶中间介电层为PDMS的“三明治”结构的电容式压力传感器。本发明的制备方法简单，原料来源广泛，具有良好的电化学和机械性能，在柔性可穿戴材料领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于新材料及传感器技术领域，具体涉及一种PAA类双交联网络自愈合水凝胶电容式压力传感器的制备方法。

背景技术

自愈合材料是受到大自然的启发，模仿生物体损伤愈合，通过物质补给或能量补给机制，使材料的微损伤能够得以自动愈合的一种新兴仿生材料。水凝胶是能吸收大量水并具有三维网络结构的高分子，近年来已在生物医学、组织工程、农业、食品、化工等方面取得广泛的应用。最近随着人们对水凝胶研究的深入，能实现自愈合的水凝胶引起了研究者们很大的关注。自愈合水凝胶在受到外部损伤后能启动自愈合机制，以保持网状结构的完整性和水凝胶的机械性能，保证它们能够长期稳定地使用。自愈合材料在受到物理，化学或者机械损伤后能够完全或者部分恢复到原状，大多数通过聚合物骨架之间可逆的相互作用如：氢键，共价键，分子间作用力等方式来实现。但综合性质还是不能让人满意，这极大的束缚了水凝胶的发展。

近年来，随着物联网、人工智能和人机交换等技术的发展，柔性可穿戴产品受到越来越多的关注和认可。柔性压电式传感器因其传感机理简单、灵敏度高和能耗低等特点逐步成为可穿戴电子产品研究的热点。相比于传统压电式材料，导电水凝胶具有高可拉伸性、制备过程简单、生物相容性好等优点，逐渐被应用于能源存储、柔性驱动器和可拉伸传感器等领域。因此通过简单便捷的方法制备机械强度高，电化学性能优异稳定的导电水凝胶材料具有重大的研究意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种好拉伸性能，短自愈合时间，高自愈合效率的水凝胶及用其制作出电容式压力传感器。

本发明的设计思路是：利用丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)形成化学交联网络，同时丙烯酸中羧基和Fe³⁺进行配位形成双交联的三维网状结构，使其具有很强的拉伸和自愈合的性质；通过将水凝胶溶液在具有凹槽的PDMS薄膜中固化，中间用薄的PDMS薄膜作为介电层制成由水凝胶与PDMS结合形成的三明治结构的电容式压力传感器，具有很高的灵敏度以及大的测量范围。

本发明的技术方案为：首先是以丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)为单体，六水合氯化铁(FeCl₃·6H₂O)为金属离子络合剂，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂，过硫酸胺(APS)为引发剂，水(H₂O)作为溶剂，制得PAA类双交联网络自愈合水凝胶自愈合水凝胶；将未固化的PDMS混合物在带有凹槽的模具中固化成型，得到带有凹槽的PDMS衬底，并在玻璃片上旋涂一层薄PDMS，固化后得到介电层，再将得到的自愈合水凝胶溶液在具有凹槽的PDMS薄膜中固化，最后将两个固化好的水凝胶与PDMS介电层进行组装形成三明治结构的电容式压力传感器。

本发明PAA类双交联网络自愈合水凝胶电容式压力传感器的制备方法如下：

(1)将丙烯酸，丙烯酰胺，六水合氯化铁(FeCl₃·6H₂O)，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，过硫酸胺(APS)和H₂O按比例配成溶液，混合均匀后通氮气30分钟除去溶液中的气体，60℃下发生聚合反应30分钟，得到自愈合水凝胶。

(2)将未固化的PDMS在带有凹槽的模具中固化成型，得到带有凹槽的PDMS衬底，并在玻璃片上旋涂一层薄PDMS(厚度为0.5mm)作为介电层。