CN112635097A - 柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用 - Google Patents

柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN112635097A
CN112635097A CN202011325828.6A CN202011325828A CN112635097A CN 112635097 A CN112635097 A CN 112635097A CN 202011325828 A CN202011325828 A CN 202011325828A CN 112635097 A CN112635097 A CN 112635097A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogel
solution
liquid metal
flexible wearable
preparation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011325828.6A
Other languages
English (en)
Inventor
袁伟忠
周子璇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongji University
Original Assignee
Tongji University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongji University filed Critical Tongji University
Priority to CN202011325828.6A priority Critical patent/CN112635097A/zh
Publication of CN112635097A publication Critical patent/CN112635097A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H01B1/22—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

一种柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法，其特征是，包括如下步骤：(1)将单宁酸(TA)加入到去离子水中，于一定温度下搅拌形成均匀溶液；(2)将一定量的软液态金属(LM)加入均匀的TA溶液中，并将其超声处理，超声时样品放置在冰水浴中；(3)将一定量的硼砂加入到去离子水中，在室温下形成均匀溶液，之后将硼砂溶液和NaCl加入到TA‑LMPs溶液中，形成水凝胶；(4)将步骤(3)得到的水凝胶放在甘油溶液中，浸泡一段时间，得到最终水凝胶。具有良好的保水性和自修复性能，实现传感、监测运动等功能；本发明的柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法简单，操作方便，制备出的导电水凝胶具有良好的自愈合性能，并能多次重复使用。

Description

柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用
技术领域
本发明属于高分子材料和柔性电子材料技术领域，具体涉及一种柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法及其应用。
背景技术
近年来，一些柔性可穿戴的电子传感器因轻巧便携、高效率性等优势受到越来越多的关注，但这种表皮传感器在受到外界撕扯时会使机械和导电性大大降低。水凝胶作为一种制备方法简单，性能优异的材料，可以通过掺入各种填料以丰富其性能，目前已被用在监测人们各项活动、柔性触摸显示器等方面。然而，将刚性的导电填料与软水凝胶之间会导致机械摩擦，损害水凝胶的机械寿命。
液态金属(LM)填料是一种高导热、高导电性、柔韧性好、毒性低的材料，已成功应用于生物材料、灵活电子器件等产品中，通过简单的超声处理，可以将LM分散成微/纳米液滴，并可以立即被钝化的薄氧化物层覆盖而保持稳定。并且液态金属颗粒(LMPs)可以通过其表面羟基与聚合物材料发生相互作用，从而稳定分散在聚合物中。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法，在制备过程中，材料的选择非常重要，添加传统导电填料的方式会损害水凝胶的机械性能，而软液态金属的使用就可以避免这种问题，使得制备的水凝胶既有良好的机械、导电性，又具有良好的自愈合性能，同时还能在低温下使用，从而实现在电子传感、监测运动等作用。
本发明的第二个目的是提供上述柔性可穿戴液态金属水凝胶。
本发明的第三个目的是提供上述柔性可穿戴液态金属水凝胶的应用。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将单宁酸(TA)加入到去离子水中，于一定温度下搅拌形成均匀溶液；
(2)将一定量的软液态金属(LM)加入均匀的TA溶液中，并将其超声处理，超声时样品放置在冰水浴中；
(3)将一定量的硼砂加入到去离子水中，在室温下形成均匀溶液，之后将硼砂溶液和NaCl加入到TA-LMPs溶液中，形成水凝胶；
(4)将步骤(3)得到的水凝胶放在甘油溶液中，浸泡一段时间，得到最终水凝胶。本发明以单宁酸(TA)为基体材料，由于单宁酸具有类似多巴胺的结构，因此具有良好的粘附性能，利用液态金属(LM)为导电填料，可以使水凝胶的导电灵敏度大大提高，硼砂为交联剂，NaCl不仅可以增加水凝胶的离子导电性，还可以降低水凝胶的冰点，甘油既能保证水凝胶在低温下工作，又能锁住水分，可在室温下长时间放置。形成的柔性可穿戴液态金属水凝胶粘附性、机械性、导电性优良，具有良好的自愈合能力，可以在低温下工作，并能够长期重复使用。
制备方法，将液态金属颗粒(LMPs)引入到单宁酸(TA)中，并添加硼砂和NaCl，形成的水凝胶在甘油溶液中浸泡一段时间。以液态金属颗粒(LMPs)为导电材料，引入到单宁酸中，并加入硼砂和NaCl形成柔性导电水凝胶，该水凝胶可以在拉伸、压缩等外力的作用下使电阻发生改变，并可以在低温下使用，具有良好的保水性和自修复性能，实现传感、监测运动等功能。柔性可穿戴液态金属水凝胶在多功能传感、监测人类运动中得以应用。
优选地，步骤(1)中，TA的浓度为55-80mg/mL，一定温度为45-80℃。
优选地，步骤(2)中，TA与LM的质量比为1：6-1：29，超声功率为500-800W。
优选地，步骤(3)中，硼砂的浓度为5-10wt％，NaCl的浓度为1-5wt％。
优选地，步骤(4)中，浸泡时间为1-3天。
一种柔性可穿戴液态金属水凝胶，其由上述的制备方法得到。
一种上述的柔性可穿戴液态金属水凝胶在可穿戴电子皮肤、智能传感中的应用。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明的液态金属(LM)材料导热导电性好，并且毒性低，在生物智能传感、电子器件等应用广泛，并将其分散成液滴时，表面可以覆盖一层氧化物而保持稳定，可通过表面官能团发生反应而稳定存在于聚合物中。水凝胶的基体材料单宁酸(TA)中有25个羟基和10个羰基，可以通过形成氢键与多种物质发生反应。
第二、本发明柔性可穿戴液态金属水凝胶的添加了硼砂、NaCl和甘油。硼砂在水中会离解成硼酸和氢氧化钠，而硼酸可以进一步水解成四羟基合硼酸根离子，硼酸根离子可以与羟基反应形成氢键，从而可以交联成水凝胶。NaCl的引入可以增加水凝胶中的离子浓度，增加导电性，而甘油可以降低水的冰点，保证了水凝胶可以在低温下进行工作。
第三、本发明的柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法简单，操作方便，制备出的水凝胶可以长期重复使用。
附图说明
图1为本发明的实施例1柔性可穿戴液态金属水凝胶的压缩强度示意图(横坐标Strain为压缩应变，纵坐标Stress为压缩应力)。
图2为本发明的实施例1柔性可穿戴液态金属水凝胶导电效果示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法及其应用。
本发明以液态金属颗粒(LMPs)为导电材料，引入到单宁酸中，并加入硼砂和NaCl得到柔性可穿戴液态金属水凝胶，使其在外力作用下电阻发生变化，达到智能传感、监测运动的目的。
<柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法>
本发明的柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法包括如下步骤：
(1)、TA-LMPs溶液的制备：将单宁酸(TA)加入到去离子水中，于一定温度下搅拌形成均匀溶液，之后一定量的软液态金属(LM)加入到上述TA溶液中，并将其超声处理，超声时样品放置在冰水浴中；
(2)、初级水凝胶的制备：将一定量的硼砂加入到去离子水中，在室温下形成均匀溶液，之后将硼砂溶液和NaCl加入到TA-LMPs溶液中，形成初级水凝胶；
(3)、最终水凝胶的制备：将上述水凝胶放在甘油溶液中，浸泡一段时间，得到最终水凝胶。
其中，在步骤(1)中，TA的浓度为55-80mg/mL，一定温度为45-80℃。
在步骤(1)中，TA与LM的质量比为1：6-1：29，超声功率为500-800W。
在步骤(2)中，硼砂的浓度为5-10wt％，NaCl的浓度为1-5wt％。
在步骤(3)中，浸泡时间为1-3天。
<柔性可穿戴液态金属水凝胶>
本发明的柔性可穿戴液态金属水凝胶由上述的制备方法得到。
<柔性可穿戴液态金属水凝胶的应用>
本发明的柔性可穿戴液态金属水凝胶可以在可穿戴电子皮肤、智能传感中得以应用。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
本实施例的柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法包括如下步骤：
(1)、将1.1g的单宁酸(TA)加入到20mL去离子水中，于45℃下搅拌形成均匀溶液；
(2)、将31.9g的软液态金属(LM)加入均匀的TA溶液中，并将其超声处理，超声功率为800W，超声时样品放置在冰水浴中；
(3)、将7g的硼砂加入到50mL去离子水中，在室温下形成均匀溶液，之后将硼砂溶液和3.5g的NaCl加入到TA-LMPs溶液中，形成水凝胶；
(4)、将步骤(3)得到的水凝胶放在甘油溶液中，浸泡3天，得到最终水凝胶。
图1可以看出，制备出的水凝胶可以承受78％的高压缩应变，压缩强度可达2.1MPa，体现了水凝胶良好的机械性能。
图2显示了将水凝胶切断、再接触时，小灯泡立马点亮并且亮度没有发生改变，这显示了水凝胶良好的导电性和快速自愈合性能。
实施例2：
本实施例的柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法包括如下步骤：
(1)将4g的单宁酸(TA)加入到50mL去离子水中，于80℃下搅拌形成均匀溶液；
(2)、将24g的软液态金属(LM)加入均匀的TA溶液中，并将其超声处理，超声功率为500W，超声时样品放置在冰水浴中；
(3)、将5g的硼砂加入到50mL去离子水中，在室温下形成均匀溶液，之后将硼砂溶液和1g的NaCl加入到TA-LMPs溶液中，形成水凝胶；
(4)、将步骤(3)得到的水凝胶放在甘油溶液中，浸泡2天，得到最终水凝胶
实施例3：
本实施例的柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法包括如下步骤：
(1)将4g的单宁酸(TA)加入到50mL去离子水中，于60℃下搅拌形成均匀溶液；
(2)、将40g的软液态金属(LM)加入均匀的TA溶液中，并将其超声处理，超声功率为750W，超声时样品放置在冰水浴中；
(3)、将10g的硼砂加入到50mL去离子水中，在室温下形成均匀溶液，之后将硼砂溶液和3g的NaCl加入到TA-LMPs溶液中，形成水凝胶；
(4)、将步骤(3)得到的水凝胶放在甘油溶液中，浸泡2天，得到最终水凝胶
实施例4：
本实施例的柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法包括如下步骤：
(1)将3g的单宁酸(TA)加入到50mL去离子水中，于80℃下搅拌形成均匀溶液；
(2)、将30g的软液态金属(LM)加入均匀的TA溶液中，并将其超声处理，超声功率为600W，超声时样品放置在冰水浴中；
(3)、将10g的硼砂加入到50mL去离子水中，在室温下形成均匀溶液，之后将硼砂溶液和2.5g的NaCl加入到TA-LMPs溶液中，形成水凝胶；
(4)、将步骤(3)得到的水凝胶放在甘油溶液中，浸泡1天，得到最终水凝胶。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种柔性可穿戴液态金属水凝胶的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)将单宁酸(TA)加入到去离子水中，于一定温度下搅拌形成均匀溶液；
(2)将一定量的软液态金属(LM)加入均匀的TA溶液中，并将其超声处理，超声时样品放置在冰水浴中；
(3)将一定量的硼砂加入到去离子水中，在室温下形成均匀溶液，之后将硼砂溶液和NaCl加入到TA-LMPs溶液中，形成水凝胶；
(4)将步骤(3)得到的水凝胶放在甘油溶液中，浸泡一段时间，得到最终水凝胶。
2.一种上述的柔性可穿戴液态金属水凝胶在可穿戴电子皮肤、智能传感中的应用。
CN202011325828.6A 2020-11-23 2020-11-23 柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用 Pending CN112635097A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011325828.6A CN112635097A (zh) 2020-11-23 2020-11-23 柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011325828.6A CN112635097A (zh) 2020-11-23 2020-11-23 柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112635097A true CN112635097A (zh) 2021-04-09

Family

ID=75303774

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011325828.6A Pending CN112635097A (zh) 2020-11-23 2020-11-23 柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112635097A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115121192A (zh) * 2022-07-25 2022-09-30 中北大学 一种液态金属/还原氧化石墨烯的pva/hacc压电水凝胶制备方法及应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109293826A (zh) * 2017-07-25 2019-02-01 上海大学 PNIPAm微凝胶及二氧化钒/二氧化硅/PNIPAm复合微凝胶的制备方法
CN109350847A (zh) * 2018-11-29 2019-02-19 深圳先进技术研究院 一种功能化植入式柔性电极及其应用
CN110256697A (zh) * 2019-07-17 2019-09-20 湖北大学 一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料及其制备方法和应用
CN110628053A (zh) * 2019-08-30 2019-12-31 厦门大学 一种聚乙烯醇-单宁酸-硼酸三元交联水凝胶、制备方法及应用
CN110655827A (zh) * 2018-06-28 2020-01-07 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种微米或纳米级液态金属水基分散液及其制备方法
CN110776652A (zh) * 2019-10-23 2020-02-11 重庆医科大学 石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用
CN111944167A (zh) * 2020-08-10 2020-11-17 北京科技大学 一种导电水凝胶及其制备方法和应用

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109293826A (zh) * 2017-07-25 2019-02-01 上海大学 PNIPAm微凝胶及二氧化钒/二氧化硅/PNIPAm复合微凝胶的制备方法
CN110655827A (zh) * 2018-06-28 2020-01-07 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种微米或纳米级液态金属水基分散液及其制备方法
CN109350847A (zh) * 2018-11-29 2019-02-19 深圳先进技术研究院 一种功能化植入式柔性电极及其应用
CN110256697A (zh) * 2019-07-17 2019-09-20 湖北大学 一种高强韧和应变敏感的聚乙烯醇离子水凝胶传感材料及其制备方法和应用
CN110628053A (zh) * 2019-08-30 2019-12-31 厦门大学 一种聚乙烯醇-单宁酸-硼酸三元交联水凝胶、制备方法及应用
CN110776652A (zh) * 2019-10-23 2020-02-11 重庆医科大学 石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用
CN111944167A (zh) * 2020-08-10 2020-11-17 北京科技大学 一种导电水凝胶及其制备方法和应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115121192A (zh) * 2022-07-25 2022-09-30 中北大学 一种液态金属/还原氧化石墨烯的pva/hacc压电水凝胶制备方法及应用
CN115121192B (zh) * 2022-07-25 2023-05-26 中北大学 一种液态金属/还原氧化石墨烯的pva/hacc压电水凝胶制备方法及应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11515059B2 (en) All-weather self-healing stretchable conductive material and preparation method thereof
CN109273287B (zh) 一种自愈合水凝胶聚电解质及其制备与应用
Li et al. Self-healing liquid metal hydrogel for human–computer interaction and infrared camouflage
Chen et al. Self-healing hydrogel sensors with multiple shape memory properties for human motion monitoring
CN111647186B (zh) 一种液态金属/壳聚糖衍生物水凝胶薄膜的制备方法
CN112635097A (zh) 柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用
Zhang et al. Rapid preparation of a self-adhesive PAA ionic hydrogel using lignin sulfonate–Al 3+ composite systems for flexible moisture-electric generators
Wang et al. Conductive double-crosslinked network hydrogel with superior stretchability and self-healing ability
CN102167837A (zh) 一种离子聚合物-金属机敏电驱动复合材料的制备方法
Yao et al. Flexible, programable sensing system with poly (AAm-HEMA-SA) for human motion detection
CN114213678A (zh) 高拉伸、自粘附、抗冻保水纳米复合导电水凝胶及制备方法和应用
Guo et al. Ultra-stretchable and anti-freezing conductive organohydrogel reinforced with ionic clusters for wearable strain sensors
CN113185715B (zh) 一种自愈合导电聚乙烯醇基水凝胶及其制备方法与应用
Ma et al. Highly Stretchable, Self‐Healing, and Low Temperature Resistant Double Network Hydrogel Ionic Conductor as Flexible Sensor and Quasi‐Solid Electrolyte
CN113603902A (zh) 一种导电水凝胶电极材料及其应用
CN117050342A (zh) 一种高抗冻双网络共晶凝胶的制备方法及应用
Chen et al. Transparent, super stretchable, freezing− tolerant, self− healing ionic conductive cellulose based eutectogel for multi− functional sensors
CN114349980B (zh) 一种导电水凝胶及其制备方法和应用
Xu et al. Wearable and Recyclable Water‐Toleration Sensor Derived from Lipoic Acid
Wang et al. Self-healing transparent ionogel polymerized by liquid metal for strain sensor
CN114181531A (zh) 用于制备致动器件的离子聚合物、致动器件及其制备方法
CN113593751A (zh) 一种具有高度可拉伸性的自适应液态金属电极及其制备
Li et al. Multifunctional hydrogel prepared via polymerization initiated by mechanically induced heat of coordination
CN116041607B (zh) 导电多功能凝胶传感器及其制备方法和应用
CN117050337A (zh) 一种兼具自愈、自粘性和应变敏感的离子导电水凝胶的制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210409