[发明专利]一种复合水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种复合水凝胶及其制备方法和应用。首先将聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素钠(CMC)及单体吡咯(Py)共混合后，以戊二醛作为交联剂，在酸性条件下，制备得到包埋有CMC及Py的聚乙烯醇单网络水凝胶，随后在低温下，将所得单网络水凝胶浸泡于适宜浓度的FeCl₃溶液中，制得聚吡咯/羧甲基纤维素钠‑Fe³⁺/聚乙烯醇（PPy/CMC‑Fe³⁺/PVA）双网络复合水凝胶。本发明将上述复合水凝胶应用于应变传感贴片中，最终得到具有高力学强度、弹性、导电性及应变敏感性的复合水凝胶应变传感贴片。本发明开辟了聚吡咯在水凝胶中原位合成的新途径，为水凝胶应变传感器应用于可穿戴领域提供了新思路和新方法。

技术领域

本发明涉及一种复合水凝胶及其制备方法和应用，具体涉及一种采用原位氧化法制备掺杂有导电材料（聚吡咯）的双网络结构复合水凝胶的制备方法，及将该具有高力学强度、弹性、导电性及应变敏感性的复合水凝胶应用于应变传感贴片的方法。

背景技术

传感器作为可穿戴设备的核心组件，其功能化决定了可穿戴设备的发展。应变传感器具有随机械形变可重复变化的电学特性以及类似人体皮肤触觉的传感灵敏度，有望应用于生物力学研究、人体健康监测、嵌入治疗传感。聚合物水凝胶作为一种由大量水分和三维聚合物网络构成的物质，具有类似生物软组织的柔软性，而且还展现出优于传统聚合物的延展性、自修复能力和自恢复性，成为可穿戴或可嵌入设备的理想柔软基体材料。导电水凝胶作为一类新型材料，在健康监测体系领域具有潜在应用价值。目前已有的导电水凝胶均无法兼具优异的导电性及优良的力学性能，而解决这一问题的途径之一就是建立起化学和物理交联网络之间的平衡。 (Y. J. Liu, W. T. Cao, M. G. Ma, P. B. Wan, AcsAppl Mater Interfaces, 2017 , 9 (30))。 将可观的机械性能和高传感灵敏度整合到一起，设计出一款可伸缩、弹性、应变敏感的水凝胶作为可穿戴传感器仍然存在挑战。

发明内容

本发明旨在提供一种复合水凝胶及其制备方法及应用。相比已有的水凝胶应变传感贴片，本发明提供了一种集成可导电、弹性和应变敏感的双网络结构复合水凝胶，并将其发展为多功能可穿戴式应变传感器，从而实现快速、准确地监测手指关节运动、呼吸方式的变化以及不同运动状态下的轻微脉搏。

本发明提供了一种具有导电性能的双网络水凝胶及其应用于应变传感贴片的方法。该方法不仅制备过程操作简便，节约成本，更重要的是，在制备过程中，Fe³⁺既可作为羧甲基纤维素钠（CMC）分子链间的配位交联剂，同时还可以作为吡咯单体被氧化过程中的氧化剂及掺杂剂，从而使聚吡咯缓慢掺杂于双网络水凝胶内，最终得到具有高力学强度、弹性、导电性及应变敏感性的复合水凝胶应变传感贴片。

本发明提供了一种复合水凝胶，包括以下重量配比的原料：

聚乙烯醇：40%~72%

羧甲基纤维素钠： 5%~35%

吡咯：4%~25%

戊二醛：0.5%~2.5%

FeCl₃：1.5%~4.5%。

本发明提供了上述复合水凝胶的制备方法，首先将聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠(CMC)及单体吡咯(Py)共混合后，以戊二醛作为交联剂，在酸性条件下，制备得到包埋有CMC及Py的聚乙烯醇单网络水凝胶，随后在低温下，将所得单网络水凝胶浸泡于适宜浓度的FeCl₃溶液中，制得聚吡咯/羧甲基纤维素钠-Fe³⁺/聚乙烯醇（PPy/CMC-Fe³⁺/PVA）双网络复合水凝胶。上述制备方法，具体包括以下步骤：