[发明专利]水下黏附抗溶胀水凝胶及柔性应变传感器

说明书

本发明公开了一种水下黏附抗溶胀水凝胶，它是将烷基丙烯酸酯、表面活性剂和氯化钠在水中搅拌至澄清得到前驱体A，将三氯化铁溶液滴加到甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸‑2‑羟基乙酯和化学交联剂的混合溶液中，超声分散均匀得到前驱体B，将除去气泡的前驱体A与前驱体B混合，在引发剂作用下采用一步凝胶法得到的可水下黏附、抗溶胀的水凝胶。本发明通过静电相互作用、金属配位作用和疏水缔合作用协同实现凝胶在水下与目标界面建立分子桥联系，实现黏附，并通过引入疏水基团提高凝胶表面拒水能力进而提高凝胶在水下的稳定性。本发明还公开了一种水下黏附抗溶胀水凝胶柔性应变传感器，它是将水下黏附抗溶胀水凝胶安装电极组成的柔性应变传感器。

技术领域

本发明涉及一种可水下黏附抗溶胀水凝胶制备方法，基于该可水下黏附抗溶胀水凝胶制得的柔性应变传感器，以及该柔性应变传感器在水下黏附、水下抗溶胀、拉伸应变及外力频率的检测中的应用，具体为在制备水下实时健康监测设备、水下柔性机器人、电子皮肤、拉伸应变检测装备等众多领域的应用。

背景技术

近年来，柔性电子器件由于具备独特的延展性、高效且低成本制造工艺等特点，在信息、能源、医疗、国防等领域崭露头角。为了在使用过程中更好的贴合皮肤、提升舒适感，受人类皮肤的启发，模拟皮肤各项功能的电子皮肤在近年来得到飞速发展。水凝胶是一种三维网络结构凝胶，聚集态介于固体与液体之间，具有高亲水、强粘附、自愈合、生物相容性好等特性，是柔性传感器可选材料之一。在水凝胶的制备过程中，伴随着高分子交联网络的构建，其溶胀性与含水量也随之确定。水凝胶因为具有高含水量、高变形性、与生物组织结构相似性和潜在的功能化应用等诱人特性，在生物材料、组织工程、生物传感器等领域有着广泛的应用前景。结合仿生和传感功能于一体的多功能水凝胶也将有机会应用在植入式电子器件领域。

然而，随着人类运动的多样化，为满足柔性穿戴设备在多种环境中的适用性，对凝胶基柔性应变传感材料提出了更高的要求。当人们在水下或高湿度环境中使用柔性穿戴设备时，材料的水下稳定性成为技术的关键，但因为水下强烈的水化作用，大多数传统水凝胶在水中会吸水溶胀、力学性能变差、粘附性降低、共形效果差，严重阻碍了水凝胶在水下应用领域的发展。

发明内容

本发明的目的是针对水凝胶应变传感器普遍存在的水下环境中不能黏附、共形效果差、吸水溶胀、力学性能下降等缺点，提供了一种一步凝胶法制备成本低廉、水下黏附、抗溶胀水凝胶，并基于该水凝胶制成柔性应变传感器，该柔性应变传感器具有应用范围广、耐久性好、敏感度高、可重复性优异等优点，可以有效拓宽柔性可穿戴器件的实际应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种水下黏附抗溶胀水凝胶，它是以烷基丙烯酸酯、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸-2-羟基乙酯为原料，将烷基丙烯酸酯、表面活性剂和氯化钠在水中搅拌至澄清得到前驱体A，将水溶性铁盐溶液滴加到甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸-2-羟基乙酯和化学交联剂的混合溶液中，超声分散均匀得到前驱体B，将除去气泡的前驱体A与前驱体B混合，在引发剂作用下采用一步凝胶法得到的可水下黏附、抗溶胀的水凝胶。

本发明的另一个目的是提供一种可水下黏附抗溶胀水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)、在温度30～60℃下，将烷基丙烯酸酯、表面活性剂和氯化钠在水中充分搅拌至澄清，得到前驱体A；氯化钠为表面活性剂的助溶剂，同时烷基丙烯酸酯在较高温度下更充分的溶解在水中，烷基丙烯酸酯、表面活性剂均含有疏水长链，两者的疏水部分通过疏水缔合作用形成胶束，增强水凝胶的抗溶胀性；

步骤(2)、将水溶性铁盐溶液滴加到甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸-2-羟基乙酯和化学交联剂的混合溶液中，搅拌均匀并超声分散得到溶液，得到前驱体B；加入过程会产生絮状物，结合超声，使絮状物溶解；