CN110595347A - 一种低杨氏模量水凝胶柔性应变传感器 - Google Patents

一种低杨氏模量水凝胶柔性应变传感器 Download PDF

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吴旭
陈睿
徐秀彬
于丹凤
毛桃嫣
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

Abstract

本发明公开了一种低杨氏模量水凝胶柔性应变传感器，使用水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)和N，N‑亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)作为协同交联剂、单体丙烯酰胺、采用浸渍法聚合聚吡咯导电层，共同制备而成。本发明水凝胶显示出高度可拉伸性和强韧的机械性能，同时具有低的杨氏模量，使得佩戴舒适；具备抗疲劳性能、良好的应变电阻敏感性、透明以至于透光率高达87％。本发明使用的浸渍法可吸收紫外线且容易控制透光率，在可穿戴、电子设备以及人造皮肤和可拉伸电子设备领域中具有广阔应用前景。

Description

一种低杨氏模量水凝胶柔性应变传感器
技术领域
本发明属于高分子功能材料领域，特别涉及一种低杨氏模量水凝胶柔性应变传感器。
背景技术
随着材料科学领域的发展，可穿戴式应变传感器引起了人们的极大关注。“智能”的可穿戴设备有着像皮肤一样舒适无感的优点。为了达到这种“皮肤般”的感觉，这种电子元件的杨氏模量应低于人体皮肤的杨氏模量(约为30-230kPa)。低的杨氏模量意味着材料通过较小应力即可大幅度变形。因此，需要具有低杨氏模量的可穿戴应变传感器来监测人体运动。
然而导电率和杨氏模量之间存在着折衷，即具有低杨氏模量的材料通常具有低导电率，而高导电率材料具有高杨氏模量值。金属，碳和陶瓷显示出高导电率(103-109S m-1)和高杨氏模量(109-1012Pa)。因此，生产具有低杨氏模量的高导电可穿戴应变传感器是一项极大的挑战。
水凝胶作为一种含有三维网络结构的柔软材料，在很多领域得到了广泛应用，其中，导电水凝胶结合了导电高分子与水凝胶的优点，在生物材料领域、实验室生物传感器、生物燃料电池以及超级电容器等领域具有潜在的应用前景。最为关键的是，导电水凝胶可以显示出低杨氏模量(103-108Pa)和高导电率(10-6-104S m-1)这一优良特性。
另一方面，现有的可穿戴应变传感器主要将导电层与柔性基板组合，以满足导电性和拉伸性好。例如，在可拉伸的基底聚二甲基硅氧烷上压平碳纳米管薄膜，这种制造工艺面临着一些挑战：导电层和基板之间需要具有适当的粘合强度。如果导电层从基板伸出，则应变灵敏度变得毫无价值。由于导电填料一般难溶于水，水凝胶作为一种载体，导电填料在水凝胶中的均匀性不够，会直接影响导电水凝胶的导电性和力学性能。而且，部分导电填料与水凝胶基体间缺乏相互作用力，会使得导电水凝胶结构不稳定，导电填料容易与水凝胶基体分离，影响导电水凝胶的力学性能。
与此同时，大多数导电水凝胶的抗疲劳性较差，这对应变传感器的实际应用会造成极大阻碍。特别是将水凝胶用作高度可拉伸的应变传感器时，水凝胶的抗疲劳性越好，意味着应变传感器使用寿命更长。如何将柔韧性和透明度结合到应变传感器中也是一个巨大的挑战。
针对现有问题，开发一种低杨氏模量水凝胶柔性应变传感器成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种低杨氏模量水凝胶柔性应变传感器。
本发明另一目的在于提供一种低杨氏模量水凝胶柔性应变传感器的制备方法。。
本发明再一目的在于提供上述低杨氏模量水凝胶柔性应变传感器的应用。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种水凝胶柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将丙烯酰胺单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂溶于水混合，超声得水凝胶母液；
(2)步骤(1)水凝胶母液和水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体搅拌混合，静置聚合得水凝胶；
(3)将步骤(2)水凝胶在酸性吡咯溶液中浸泡，取出在引发剂中浸泡，洗涤，即可得到导电水凝胶即水凝胶柔性应变传感器。
进一步的，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈的至少一种。
进一步的，步骤(1)丙烯酰胺单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的质量比为7.1g～10.5g：0.02g～0.04g：0.04g～0.06g；优选的，步骤(1)丙烯酰胺单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的质量比为7.1～8g：0.02～0.03g：0.04-0.05g。
进一步的，步骤(2)水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体的制备方法：将乙二醇单甲醚和六亚甲基二异氰酸酯三聚体混合反应即得；所述混合反应温度50-100℃，混合反应时间为6-24h。
进一步的，所述水性六亚甲基二异氰酸酯包括乙二醇单甲醚和六亚甲基二异氰酸酯三聚体；所述乙二醇单甲醚和六亚甲基二异氰酸酯三聚体的质量比为15g～10g：10g～5g。
进一步的，所述丙烯酰胺单体与水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体的质量比为7.1～8g：0.5～3g。
进一步的，步骤(3)所述酸性吡咯溶液中吡咯、HCl和水的体积比为：1～1.5mL：100～150μL：100～150mL。
进一步的，还包括质量比为60～90％的水。
进一步的，吡咯通过浸渍法在水凝胶柔性应变传感器表面聚合为聚吡咯。
上述任一项方法制备得到的水凝胶柔性应变传感器。
本发明水凝胶柔性应变传感器原理是，凝胶拉伸会导致电阻变大，将凝胶用导线和台式电阻仪连接，通过测试电阻的变化，送达传感器。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明制备的柔性导电水凝胶应变传感器具有高拉伸性，抗疲劳，低杨氏模量和透明的优良特点，电阻在1.2-1.5kΩ/cm。柔性导电水凝胶传感器的拉伸率约为900％，杨氏模量约为8kPa，应变200％可拉伸15000次，应变400％可拉伸5000次；具有优异的抗切割能力和压缩形变能力；同时柔性导电水凝胶传感器具有良好的透明性，紫外透光率为87％。同时，柔性导电水凝胶传感器应变200％电阻变化350％，应变400％电阻变化700％，具备良好的应变-电阻敏感性，可检测手指弯曲等身体运动，对于柔性导电水凝胶的系统性理论和分子机制研究具有重要的意义。
附图说明
图1为导电水凝胶聚合过程示意图；
图2为柔性水凝胶应变传感器结构示意图；
图3为导电水凝胶在吡咯溶液中浸泡不同时间的红外光谱；
图4具有不同浸渍时间的水凝胶的SEM图像：0s(a)，5s(b)，10s(c)和30s(d)，对应的是对比例1、实施例1、实施例2和实施例4的水凝胶；
图5浸入吡咯溶液中0s(a)，5s(b)和30s(c)水凝胶横截面的光学显微镜图像，对应的是对比例1、实施例1和实施例4水凝胶；
图6(a)为实施例1～4空气中放置不同时间(相对应时间5s、10s、20s和30s)的外观图；图6(b)为实施例1～8(相对应时间5s、10s、20s、30s、60s、120s、180s和240s)在吡咯溶液中浸泡不同时间的电阻；
图7分别为实施例1～8应力(a)，杨氏模量(b)，应力(c)和应变(d)；
图8为实施例1水凝胶抗切割，抗压，打结拉伸过程图，刀片切割(a)及手指按压(b)条件下导电水凝胶的变形并恢复到原始状态，水凝胶打结及用手拉伸(c)图；
图9为实施例1制备的导电水凝胶作为应变传感器与LED和电源连接成闭合回路测试拉伸敏感性过程图；其中LED灯泡亮度随着水凝胶应变的增加而减小(如图中红圈所示)(a)和LED灯泡的照度随着水凝胶应变从0到500％的变化而变化的5个循环(b)；
图10为实施例1导电水凝胶的拉伸和回复过程的电阻变化及水凝胶作为应变传感器缠绕在手指上，手指弯曲时电阻变化图；其中导电水凝胶的拉伸和回复过程的电阻(a)；水凝胶作为应变传感器(b)缠绕在手指上，手指弯曲时电阻变化(c)；
图11为实施例1水凝胶连续拉伸循环测试图；其中导电水凝胶的连续拉伸和恢复循环：应力随应变200％(a)和400％(b)的变化而变化；使用200％(c)和400％(d)的应变记录电阻变化；
图12为对比例1和实施例1-5(0s、5s、10s、20s、30s、60s)导电水凝胶紫外透光率光谱
具体实施方式
实施例1
预先准备以下试剂：
1.水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)：
将乙二醇单甲醚7g(分子量700)和六亚甲基二异氰酸酯三聚体5g(分子量500)投料，75℃下混合搅拌12h，得到水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)。
2.过硫酸铵溶液：
将0.04g引发剂过硫酸铵(APS)溶于50g水中得过硫酸铵溶液。
应变传感器的制备方法：
(1)将7.1g的丙烯酰胺单体(AAm)和0.02g化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)溶于过硫酸铵(APS)溶液中，超声3分钟，得到水凝胶母液(现配现用)；
(2)在室温下，将5mL水凝胶母液和0.15g制备好的化学交联剂WHDT混合，搅拌，直至溶液澄清；将溶液在30℃静置，聚合后得到水凝胶，聚合温度为30℃，聚合时间为60min；
(3)将步骤(2)的水凝胶浸泡在100mL新鲜酸性吡咯溶液中5s(其中1mL吡咯和100μL HCl溶于100mL去离子水)，取出再浸泡在100mL、0.01g/mL APS水溶液30s，使吡咯聚合为聚吡咯，洗涤(以去除未反应的吡咯和过硫酸铵)，即可得到导电水凝胶即水凝胶应变传感器。
实施例2
预先准备以下试剂：
1.水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)：
将乙二醇单甲醚7g(分子量700)和六亚甲基二异氰酸酯三聚体5g(分子量500)投料，75℃下混合搅拌12h，得到水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)。
2.过硫酸铵溶液：
将0.04g引发剂过硫酸铵(APS)溶于水中得过硫酸铵溶液。
应变传感器的制备方法：
(1)将7.1g的丙烯酰胺单体(AAm)和0.02g化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)溶于过硫酸铵溶液中，超声3分钟，得到水凝胶母液(现配现用)；
(2)在室温下，将5mL水凝胶母液和0.24g化学交联剂WHDT混合，搅拌，直至溶液澄清；将溶液倒入到直径为60mm的培养皿中，30℃静置下聚合后得到水凝胶，聚合温度为30℃，聚合时间为10min；
(3)将步骤(2)的水凝胶浸泡在100mL新鲜酸性吡咯溶液中10s(1mL吡咯和100μLHCl溶于100mL去离子水)，取出再浸泡在100mL APS水溶液30s，使吡咯聚合为聚吡咯，即可得到导电水凝胶，洗涤(以去除未反应的吡咯和过硫酸铵)，即可得到导电水凝胶即水凝胶应变传感器。
实施例3～8
实施例3～8，将水凝胶浸泡在吡咯和引发剂APS的时间如表1所示。其余步骤如实施例1。
表1导电水凝胶浸泡在吡咯和APS的时间
实施例9
1.水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)：
将乙二醇单甲醚10g和六亚甲基二异氰酸酯三聚体5g投料，50℃下混合搅拌24h，得到水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体。
2.过硫酸铵溶液：
将0.04g引发剂过硫酸钾溶于50g水中得过硫酸钾溶液。
应变传感器的制备方法：
(1)将7.1g丙烯酰胺单体、0.02g化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂溶于水混合，超声3分钟得水凝胶母液；
(2)步骤(1)5mL水凝胶母液和0.24g化学交联剂WHDT搅拌混合，直至溶液澄清，将溶液在30℃静置下聚合后得到水凝胶，聚合温度为30℃，聚合时间为10min，聚合得水凝胶；
(3)将步骤(2)的水凝胶浸泡在100mL新鲜酸性吡咯溶液中10s(1mL吡咯和100μLHCl溶于100mL去离子水)，取出再浸泡在100mL过硫酸钾水溶液30s，洗涤，即可得到导电水凝胶即水凝胶应变传感器。
实施例10
1.水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)：
将乙二醇单甲醚15g和六亚甲基二异氰酸酯三聚体10g投料，100℃下混合搅拌6h，得到水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体。
2.过硫酸铵溶液：
将0.06g引发剂偶氮二异丁腈溶于50g水中得偶氮二异丁腈溶液。
应变传感器的制备方法：
(1)将10.5g丙烯酰胺单体、0.04g化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、0.06g引发剂溶于水混合，超声3分钟得水凝胶母液；
(2)步骤(1)5mL水凝胶母液和0.24g化学交联剂WHDT搅拌混合，直至溶液澄清，将溶液倒入到直径为60mm的培养皿中，30℃静置下聚合后得到水凝胶，聚合温度为30℃，聚合时间为10min，聚合得水凝胶；
(3)将步骤(2)的水凝胶浸泡在100mL新鲜酸性吡咯溶液中10s(1.5mL吡咯和150μLHCl溶于150mL去离子水)，取出再浸泡在100mLAPS水溶液30s，洗涤，即可得到导电水凝胶即水凝胶应变传感器。
实施例11
1.水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)：
将乙二醇单甲醚15g和六亚甲基二异氰酸酯三聚体10g投料，100℃下混合搅拌6h，得到水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体。
2.过硫酸铵溶液：
将0.06g引发剂偶氮二异丁腈溶于50g水中得偶氮二异丁腈溶液。
应变传感器的制备方法：
(1)将8g丙烯酰胺单体、0.03g化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、0.05g引发剂溶于水混合，超声3分钟得水凝胶母液；
(2)步骤(1)5mL水凝胶母液和0.24g化学交联剂WHDT搅拌混合，直至溶液澄清，将溶液在30℃静置下聚合后得到水凝胶，聚合温度为30℃，聚合时间为10min，聚合得水凝胶；
(3)将步骤(2)的水凝胶浸泡在100mL新鲜酸性吡咯溶液中10s(1.5mL吡咯和150μLHCl溶于150mL去离子水)，取出再浸泡在100mLAPS水溶液30s，洗涤，即可得到导电水凝胶即水凝胶应变传感器。
对比例1
预先准备以下试剂：
1.水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)：
将乙二醇单甲醚7g(分子量700)和六亚甲基二异氰酸酯三聚体5g(分子量500)投料，75℃下混合搅拌12h，得到水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)。
2.过硫酸铵溶液：
将0.04g引发剂过硫酸铵(APS)溶于水中得过硫酸铵溶液。
应变传感器的制备方法：
(1)将7.1g的丙烯酰胺单体(AAm)和0.02g化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)溶于过硫酸铵(APS)水溶液(将0.04g APS加入50g去离子水中)，超声3分钟，得到水凝胶母液(现配现用)；
(2)在室温下，将5mL水凝胶母液和0.24g化学交联剂WHDT混合，搅拌，直至溶液澄清；将溶液倒入到直径为60mm的培养皿中，30℃静置下聚合后得到水凝胶，聚合温度为30℃，聚合时间为60min；
(3)将步骤(2)的水凝胶浸泡在100mL、0.01g/mL APS水溶液30s，洗涤，即可得到水凝胶。
效果：水凝胶的导电性较差，使用万用表测量电阻，得到对比例1的电阻为24KΩ/cm，其电阻与实施例相比增大了近20倍。
对比例2
预先准备以下试剂：
过硫酸铵溶液：
将0.04g引发剂过硫酸铵(APS)溶于水中得过硫酸铵溶液。
应变传感器的制备方法：
(1)将7.1g的丙烯酰胺单体(AAm)和0.02g化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)溶于过硫酸铵(APS)水溶液(将0.04g APS加入50g去离子水中)，超声3分钟，得到水凝胶母液(现配现用)；
(2)在室温下，将5mL水凝胶母液搅拌，直至溶液澄清；将溶液倒入到直径为60mm的培养皿中，30℃静置下聚合后得到水凝胶，聚合温度为30℃，聚合时间为60min；
(3)将步骤(2)的水凝胶浸泡在100mL新鲜酸性吡咯溶液中5s(其中1mL吡咯和100μL HCl溶于100mL去离子水)，取出再浸泡在100mL、0.01g/mL APS水溶液30s，使吡咯聚合为聚吡咯，洗涤，即可得到导电水凝胶。
效果：导电水凝胶的拉伸性较差，通过拉伸测试得到对比例2的拉伸率仅为230％，强度约为3kPa。
对比例3
预先准备以下试剂：
1.水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)：
将乙二醇单甲醚7g(分子量700)和六亚甲基二异氰酸酯三聚体5g(分子量500)投料，75℃下混合搅拌12h，得到水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)。
2.过硫酸铵溶液：
将0.04g引发剂过硫酸铵(APS)溶于50g水中得过硫酸铵溶液。
应变传感器的制备方法：
(1)将7.1g的丙烯酰胺单体(AAm)溶于过硫酸铵(APS)溶液中，超声3分钟，得到水凝胶母液(现配现用)；
(2)在室温下，将5mL水凝胶母液和0.24g化学交联剂WHDT混合，搅拌，直至溶液澄清；将溶液倒入到直径为60mm的培养皿中，30℃静置下聚合后得到水凝胶，聚合温度为30℃，聚合时间为60min；
(3)将步骤(2)的水凝胶浸泡在100mL新鲜酸性吡咯溶液中5s(其中1mL吡咯和100μL HCl溶于100mL去离子水)，取出再浸泡在100mL、0.01g/mL APS水溶液30s，使吡咯聚合为聚吡咯，洗涤，即可得到导电水凝胶。
效果：对比例3的导电水凝胶拉伸性差，仅有约150％的拉伸率。
对比例4
预先准备以下试剂：
1.水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)：
将乙二醇单甲醚7g(分子量700)和六亚甲基二异氰酸酯三聚体5g(分子量500)投料，75℃下混合搅拌12h，得到水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体(WHDT)。
应变传感器的制备方法：
(1)将7.1g的丙烯酰胺单体(AAm)和0.02g化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)混合溶于水中，超声3分钟，得到水凝胶母液(现配现用)；
(2)在室温下，将5mL水凝胶母液和0.24g化学交联剂WHDT混合，搅拌，直至溶液澄清；将溶液倒入到直径为60mm的培养皿中，30℃静置下聚合后得到水凝胶，聚合温度为30℃，聚合时间为60min；
(3)将步骤(2)的水凝胶浸泡在100mL新鲜酸性吡咯溶液中5s(其中1mL吡咯和100μL HCl溶于100mL去离子水)，取出再浸泡在100mL、0.01g/mL APS水溶液30s，使吡咯聚合为聚吡咯，洗涤，即可得到导电水凝胶。
效果：对比例4的方案难以形成水凝胶。
对本实施例制备的导电水凝胶作进一步的效果检测。
图1是导电水凝胶聚合过程的示意图；图2为本发明制备的柔性水凝胶应变传感器结构示意图。
测试一表征实验
1.红外光谱
结果：图3是对比例1和实施例1、2、4(分别是0s、5s、10s、30s)的红外光谱图，随后在相同浓度过硫酸铵溶液聚合相同时间的水凝胶红外光谱。随着浸泡吡咯溶液的时间增加，在1200和1045cm-1出现了新的峰，这归因于聚吡咯的拉伸振动得到了增强，从而证实了聚吡咯的量随浸泡时间增加而增加。
2.扫描电镜
结果：图4是对比例1和实施例1、2、4(分别是0s、5s、10s、30s)水凝胶的扫描电镜图。涂有聚吡咯后，水凝胶表面具有薄片和聚吡咯颗粒。随着浸泡吡咯溶液的时间增加，水凝胶表面的聚吡咯层分布更为致密。相比之下，在没有聚吡咯涂层的情况下，水凝胶表面光滑均匀。随着浸泡吡咯溶液的时间增加，水凝胶表面的聚吡咯层分布更为致密
3.光学显微镜观察
结果：图5为对比例1和实施例1、4(分别是0s、5s、30s)横截面的光学显微镜图像。为了直接观察水凝胶中的聚吡咯涂层，通过光学显微镜观察水凝胶的横截面图像，如图5所示在用光学显微镜观察时，在浸没在吡咯溶液中30秒的水凝胶上可以发现黑色层，而浸没0秒和5秒的水凝胶样品仍然是均匀的，表明浸泡时间较长的水凝胶存在更为明显的聚吡咯涂层。浸入吡咯溶液30秒的水凝胶的聚吡咯涂层的厚度为约0.191mm。
测试二应用试验
1.浸渍法对导电水凝胶影响测试
结果：如图6(a)所示，实施例4水凝胶浸泡吡咯溶液30s后，仅仅显示出微弱的颜色。为了检查水凝胶的拉伸性，进行了拉伸试验，结果表明随着吡咯溶液中浸泡时间的增加。图6(b)所示，通过浸渍法在凝胶表面聚合聚吡咯，使得水凝胶获得了良好的导电性，实施例1～8水凝胶电阻在1.0-1.6kΩ/cm范围内。
实施例1浸泡吡咯溶液5s后，水凝胶应力从25kPa降低到10kPa，应变从800％降低到300％。然而，浸泡时间对杨氏模量的影响可忽略不计。具有不同浸渍时间的实施例1～8水凝胶均显示出相似的杨氏模量值(约8kPa)(如图7所示)。
2.弹性和抗切割性能实验
本专利所制备的导电水凝胶的具有良好弹性和抗切割性能。如图8(a)所示，实施例1的水凝胶可以承受刀片切割到水凝胶厚度的一半，而且可以保持其原始形状，连续两次切割后不会开裂。同时，如图8(b)所示，实施例1水凝胶在手指压缩下可承受高变形。
此外，实施例1水凝胶可以打结，并且在拉伸过程中水凝胶结的尺寸大大减小，如图8(c)所示。
本发明制备的水凝胶具有优异的机械性能。而只具有MBAA交联剂的聚丙烯酰胺水凝胶不同，机械性能较弱且易于破裂。这些结果显示了本发明交联剂协同对水凝胶的机械性能的影响。
测试三应变敏感性测试
水凝胶应变传感器的电阻应变敏感
将实施例1导电水凝胶与电池连接构成闭合回路。如图9(a)所示。首先，当用9V电池供电时，LED灯泡显示出高亮度，证实了水凝胶的良好导电性。当水凝胶缓慢拉伸时，灯泡逐渐变暗。还量化了应变对LED亮度的影响，如图9(b)所示。
结果：在5个循环期间，LED灯泡的照度从27勒克斯降至1勒克斯，然后随着水凝胶的拉伸和恢复而上升为27勒克斯，显示出本发明实施例1导电水凝胶具有显著的电阻应变敏感性。
测量电阻进一步评估水凝胶应变传感器的应变敏感性
在拉伸过程中，实施例1的水凝胶的电阻从原来的1.14kΩ变为3.46kΩ，增加了200％，如图10(a)所示。释放后，随着水凝胶的恢复，电阻可恢复到1.15kΩ。这是由于在水凝胶的拉伸过程中，导电水凝胶网络的显着变化，聚吡咯链之间的距离发生变化。导电链之间的接触逐渐消失，导致电阻增加。如图10(b)所示，借助于胶带将水凝胶附着在手指上以确认它是否能有效地监测手指的运动，10(b)左图在原始状态下，附着在手指上的水凝胶的电阻为4.79kΩ，10(b)右图导电水凝胶随着手指的弯曲电阻变化为6.45kΩ。如图10(c)，水凝胶的电阻随着手指的弯曲运动在100％至145％的范围内波动。
测试四抗疲劳测试
结果：对水凝胶应变传感器的连续拉伸循环测试，以证明其是否满足长期应用要求。
通过将实施例1水凝胶反复拉伸200％或400％并将它们释放回其原始形状，从而测试循环拉伸性能。如图11(a)和(b)所示，在90个拉伸循环期间，水凝胶显示出良好的可逆拉伸性同时没有明显变化。
测试了水凝胶的长期拉伸耐疲劳性，在应变范围拉伸15000次循环200％后水凝胶仍未断裂。同时，拉伸400％的水凝胶在5000次循环后破裂，而拉伸800％的水凝胶仅耐受4个循环。因此，为了满足可拉伸电子器件的要求，应该使用高度可拉伸的水凝胶来确保抗疲劳性能。
记录拉伸过程中水凝胶的抗性，如图11(c)和(d)所示。相对电阻随应变而变化，拉伸后分别增加到350％和700％(R0是初始电阻)。
因此本发明的柔性应变传感器也显示出良好的可逆拉伸性和抗疲劳性能。
测试五透光率及触屏应用测试
本发明采用的浸渍法制备导电水凝胶可以根据实际应用，容易调整传感器的透光率。
如图12(a)所示，对比例1(0s)水凝胶在250nm至800nm的波长范围内显示出高透射率。随着浸泡时间的增加，实施例4(30s)和实施例5(60s)水凝胶在300～500nm波长范围内透光率接近0％，而在550～800nm的波长范围内保留了较小的透光率。
实施例1浸渍时间下的透光率在650nm波长下为87％，表明本发明应变传感器是高度透明的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水凝胶柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将丙烯酰胺单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂溶于水混合，超声得水凝胶母液；
(2)步骤(1)水凝胶母液和水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体搅拌混合，静置聚合得水凝胶；
(3)将步骤(2)水凝胶在酸性吡咯溶液中浸泡，取出在引发剂中浸泡，洗涤，即可得到导电水凝胶即水凝胶柔性应变传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)丙烯酰胺单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的质量比为7.1g～10.5g：0.02g～0.04g：0.04g～0.06g；优选的，步骤(1)丙烯酰胺单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的质量比为7.1～8g：0.02～0.03g：0.04-0.05g。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体的制备方法：将乙二醇单甲醚和六亚甲基二异氰酸酯三聚体混合反应即得；所述混合反应温度50-100℃，混合反应时间为6-24h。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述水性六亚甲基二异氰酸酯包括乙二醇单甲醚和六亚甲基二异氰酸酯三聚体；所述乙二醇单甲醚和六亚甲基二异氰酸酯三聚体的质量比为15g～10g：10g～5g。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺单体与水性六亚甲基二异氰酸酯三聚体的质量比为7.1～8g：0.5～3g。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述酸性吡咯溶液中吡咯、HCl和水的体积比为：1～1.5mL：100～150μL：100～150mL。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括质量浓度为60～90％的水。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，吡咯通过浸渍法在水凝胶柔性应变传感器表面聚合为聚吡咯。
10.权利要求1～9任一项方法制备得到的水凝胶柔性应变传感器。
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