[发明专利]一种用于多模式柔性传感器的可伸缩抗冻结全物理交联水凝胶材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于多模式柔性传感器的可伸缩抗冻结全物理交联水凝胶材料及其制备方法，该水凝胶材料为全物理交联结构的离子导体，包括聚N‑羟乙基丙烯酰胺氢键网络和壳聚糖离子交联网络。其是以N‑羟乙基丙烯酰胺、壳聚糖和光引发剂为原料，经过紫外光辐射固化和盐溶液浸泡交联，分别得到聚N‑羟乙基丙烯酰胺氢键网络和壳聚糖离子交联网络制备而成。该材料具有超压缩性、高拉伸强度、高韧性、自恢复性、自愈合性、抗疲劳性和机械稳定性，且能够在低温环境下保持良好的机械性能和导电性，有望应用于柔性电子、可穿戴电子设备、组织工程、超级电容器和智能机器人等领域。

技术领域

本发明涉及柔性传感领域，具体涉及一种用于多模式柔性传感器的可伸缩抗冻结全物理交联水凝胶材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着柔性可穿戴电子设备和智能机器人的迅速发展，柔性传感技术已经颠覆了人们对传统传感器件及系统的形态和功能的认知。柔性传感器件既能像橡胶一样延展，又能像金属一样导电，还能通过柔性功能单元感知力学信号，从而实现对柔性形态系统的测量。目前柔性传感器已经广泛应用于健康医疗、肢体运动识别和智能机器等领域，用于远程采集心率、脉搏、电解质浓度、血糖、呼吸频率和肢体活动等信号。

现有柔性传感材料主要的制备策略是将敏感材料，如金属纳米线、金属纳米颗粒和导电聚合物等导电填料整合到柔性金属、聚合物薄膜或聚合物弹性体中。但是这些方法存在下述三个缺点：1)材料刚性大，不利于与皮肤或其它组织的紧密贴合；2)低延展性，严重制约其在多关节引起的人体应变(大于100％)和智能机器的大应变监测方面的应用；3)回收性差，可能会带来严重的废弃塑料污染和电子垃圾污染，这些问题严重制约了柔性传感器件在人体可穿戴设备中的应用。

水凝胶由于具有富水多孔特征和类生物组织特性，表现出良好的柔软亲肤优势，能够与皮肤或组织紧密贴合，提高使用时的舒适感。水凝胶传感材料的高延展性、高灵敏性、良好的导电性和生物相容性使其非常适用于智能仿生皮肤、人体健康监测和植入式设备的研制与开发。2018年《Advanced Function Materials》报道了一种用聚丙烯酰胺和聚乙烯醇制备的超敏柔性压力离子水凝胶传感器，该水凝胶传感器表现出对压力的响应敏感性，在0～3.27kPa压力下，水凝胶传感器压缩灵敏度为0.05kPa^-1，但该水凝胶传感器对压力的监测范围较小(0-7kPa)(Stretchable,Transparent,and Self-Patterned Hydrogel-Based Pressure Sensor for Human Motions Detection.Advanced FunctionMaterials,2018,28,1802576)。2019年《Materials Horizons》报道了一种基于超分子海藻酸钠纳米纤化双网络离子导电水凝胶。该水凝胶作为柔性传感器作为拉力传感器可以监测到极宽的拉伸应变(0.3-1800％)，但应变灵敏系数较低(拉伸应变为1800％时GF＝2.66)；作为压力传感器可监测的压缩应力范围为0-6kPa(Supramolecular nanofibrillarhydrogels as highly stretchable,elastic and sensitive ionic sensors.MaterialsHorizons,2019,6,326)。2019年《ACS Applied MaterialsInterfaces》报道了一种氯化锂/琼脂/聚丙烯酰胺离子导电水凝胶。该水凝胶虽然具有良好的拉伸性能，但其作为拉力传感器在监测拉伸应变为1100％时应变灵敏系数GF仅为1.8，且该离子导电水凝胶的压力响应性能尚未报道(Highly Stretchable and Transparent Double-Network HydrogelIonic Conductors as Flexible Thermal-Mechanical Dual Sensors andElectroluminescent Devices.ACS Applied MaterialsInterfaces,2019,11,16765)。中国专利局于2019年7月5日公开了一种壳聚糖/聚N-羟乙基丙烯酰胺强韧抗污双网络水凝胶及其制备方法(申请公布号为CN 109971105 A)，其第一网络为壳聚糖和多价态负离子形成的物理交联网络，第二网络为聚N-羟乙基丙烯酰胺形成的化学交联网络。其缺点在于：聚N-羟乙基丙烯酰胺化学交联网络在拉伸的过程中会发生不可逆的断裂，导致水凝胶材料的机械性能难于恢复，因此存在抗疲劳性差、受力后软化和机械性能不稳定的问题。