CN112831062A - 一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN112831062A
CN112831062A CN202011639804.8A CN202011639804A CN112831062A CN 112831062 A CN112831062 A CN 112831062A CN 202011639804 A CN202011639804 A CN 202011639804A CN 112831062 A CN112831062 A CN 112831062A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogel
solution
stirring
transparent conductive
adhesion
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.)
Granted
Application number
CN202011639804.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112831062B (zh
Inventor
董智贤
曾润鹏
金乐乐
卢淑欣
戚楚怡
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.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
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 Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN202011639804.8A priority Critical patent/CN112831062B/zh
Publication of CN112831062A publication Critical patent/CN112831062A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112831062B publication Critical patent/CN112831062B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/04—Acids; Metal salts or ammonium salts thereof
    • C08F220/06—Acrylic acid; Methacrylic acid; Metal salts or ammonium salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10—Esters
    • C08F220/12—Esters of monohydric alcohols or phenols
    • C08F220/16—Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms
    • C08F220/18—Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms with acrylic or methacrylic acids
    • C08F220/1804—C4-(meth)acrylate, e.g. butyl (meth)acrylate, isobutyl (meth)acrylate or tert-butyl (meth)acrylate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10—Esters
    • C08F220/12—Esters of monohydric alcohols or phenols
    • C08F220/16—Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms
    • C08F220/18—Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms with acrylic or methacrylic acids
    • C08F220/1812—C12-(meth)acrylate, e.g. lauryl (meth)acrylate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2333/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2333/04—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers esters
    • C08J2333/06—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers esters of esters containing only carbon, hydrogen, and oxygen, the oxygen atom being present only as part of the carboxyl radical
    • C08J2333/08—Homopolymers or copolymers of acrylic acid esters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/16—Halogen-containing compounds

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

本发明属于水凝胶技术领域，公开了一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和应用。该方法是将阴离子型表面活性剂加入去离子水中，在30～80℃下搅拌，然后加入甲基丙烯酸长链烷基酯，10～40℃下搅拌，再加入丙烯酸磁力搅拌至全部溶解，加入引发剂和丙烯酸短链烷基酯继续搅拌，混合均匀，将所得溶液超声消泡，倒入玻璃模具，在50～70℃下反应，得到具有单面自粘附性的透明水凝胶；将该水凝胶完全浸泡在氯化铁和柠檬酸的混合溶液中浸泡，取出冲洗制得。该水凝胶具有独特的单面自粘附性、高强度、可大变形能力、良好的导电性和透明性，可作为应变传感器，在电子皮肤和智能可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于水凝胶技术领域，更具体地，涉及一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
导电水凝胶是一种具备优异生物相容性的柔性导电材料，其高含水率、可灵活调控的网络结构和性能、优异的导电性能等优点，使其在可穿戴设备、人造皮肤、人机交互系统以及软体机器人等柔性电子器件领域拥有非常广阔的应用前景。作为可穿戴设备等柔性电子器件的重要组成部分，柔性传感器在实际应用中需要具备自适应应变的性能，自粘附性和自愈合性能等，以确保在重复变形下的稳定信号检测。
在人体活动监测过程中，如果传感器件与皮肤之间接触不良，会产生很大的噪音，噪音主要是由于与“运动”相关的运动伪影所引起的。为了保证输出信号的准确性与可靠性，柔性传感器件与人体组织完美的贴合至关重要。但大多数水凝胶与基体组织之间的粘附性差，为了达到传感器件与人体的无缝衔接，之前的方案主要是借助商用或者医用胶带，但是这种操作会额外增大器件组装过程的复杂程度，而且在运动过程中柔性传感器件与人体组织易发生局部接触不良，从而会影响检测结果的准确性和灵敏度。近年来有研究者制备出具有自粘附性的导电水凝胶，目前报道的自粘附性导电水凝胶主要有两类，即仿贻贝粘附性导电水凝胶与两性离子聚合物导电水凝胶。
仿贻贝粘附性导电水凝胶是通过在水凝胶体系中引入多巴胺或者单宁酸等来获得自粘附性。基于酚羟基化学反应，聚多巴胺或者单宁酸能够根据不同基底的表面性质，与基底发生共价和/或非共价相互作用，从而粘附在基底表面。例如西南交通大学鲁雄教授课题组采用亲水性的聚多巴胺杂化导电聚吡咯，形成亲水性导电纳米复合物，再将高导电复合物与丙烯酰胺共聚，从而在水凝胶网络中原位形成纳米纤维，成功研制出兼具透明、导电、耐拉伸、自粘附性能的新型水凝胶材料。(Lu Han，Liwei Yan,Menghao Wang,KefengWang,Liming Fang,Jie Zhou,Ju Fang,Fuzeng Ren,and Xiong Lu*.Transparent,Adhesive,and Conductive Hydrogel for Soft Bioelectronics Based on Light-Transmitting Polydopamine-Doped Polypyrrole Nanofibrils[J].Chem.Mater.,2018,30,16,5561-5572)该方法工艺非常复杂难控，不利于规模化生产。复旦大学吴培怡教授课题组利用两性离子单元之间的超分子相互作用制备出非共价交联水凝胶，但该凝胶力学性能比较弱(Zhouyue Lei,and Peiyi Wu*.A supramolecular biomimetic skin combininga wide spectrum of mechanical properties and multiple sensory capabilities[J].Nat.Commun.,2018,9,1134)。目前，具有自粘附性的两性离子聚合物导电水凝胶的研究主要是作为电容型传感器使用，作为应变传感器的研究鲜见报道，主要障碍可能是这种凝胶机械性能的不足。因此，当前自粘附性导电水凝胶存在的主要问题是整体对外表现粘性，作为应变型柔性传感器进行组装操作或者使用时比较不方便，另一缺点是机械性能较差，弹性不足，无法满足应变型柔性传感器件实际使用需求。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶。该水凝胶具有独特的单面自粘附性、高强度、透明导电水凝胶。解决了现有导电水凝胶或是缺乏组织粘附性，需依靠附加胶带的帮助；或者是双面均有自粘附性，组装操作不便、力学性能差等问题，以真正满足柔性传感材料精确监测各种人体运动的实际需求。
本发明的另一目的在于提供上述具有单面自粘附性的透明导电水凝胶的制备方法。该方法简单易行，原料价格便宜，来源广泛，易于实现规模化生产。
本发明的再一目的在于提供上述具有单面自粘附性的透明导电水凝胶的应用。所制备的水凝胶材料在可拉伸电子皮肤和智能可穿戴电子设备等领域具有广泛的应用前景。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，所述透明导电水凝胶是将阴离子型表面活性剂加入去离子水中，在30～80℃下磁力搅拌，得到溶液A；在溶液A中加入甲基丙烯酸长链烷基酯，10～40℃下磁力搅拌Ⅰ，然后加入丙烯酸磁力搅拌至全部溶解，再加入引发剂搅拌Ⅱ，最后加入丙烯酸短链烷基酯继续搅拌Ⅲ，混合均匀，得到溶液B；将溶液B超声消泡，然后倒入玻璃模具，在50～70℃下反应，得到具有单面自粘附性的透明疏水缔合水凝胶；将该水凝胶完全浸泡在氯化铁水溶液和柠檬酸水溶液混合的溶液C中浸泡，取出冲洗制得。
优选地，所述阴离子型表面活性剂的质量和去离子水的体积比为(1～5)g：20mL；所述搅拌的时间为10～60min，所述搅拌的转速为200～800转/分。
优选地，所述阴离子表面活性剂为脂肪醇硫酸(酯)盐或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，其分子通式分别为：ROSO3-M+和RO(CH2CH2O)n-SO3Na。
更为优选地，所述R为12～15的烷基；M+为钠离子、钾离子、铵离子或乙醇氨基阳离子；所述n＝2或3，。
优选地，所述溶液A中去离子水和甲基丙烯酸长链烷基酯的体积比为40：(0.5～2)；所述丙烯酸的质量、引发剂的质量和甲基丙烯酸长链烷基酯的体积、丙烯酸短链烷基酯的体积比为10g：(50～150)mg：(0.5～2)mL：(50～500)μL。
更为优选地，所述甲基丙烯酸长链烷基酯的分子通式为：CH2＝C(CH3)COO(CH2)nCH3，其中n＝12～18；所述丙烯酸短链烷基酯的分子通式为：CH2＝CCOO(CH2)nCH3，其中n＝0～3；所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
优选地，所述氯化铁水溶液的浓度为0.05～0.5mol/L，所述柠檬酸水溶液的浓度为0.3～3mol/L，所述氯化铁水溶液和柠檬酸水溶液的体积比为1：(0.5～2)。
一种所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将阴离子型表面活性剂加入去离子水中，在30～80℃下磁力搅拌，得到溶液A；
S2.在溶液A中加入甲基丙烯酸长链烷基酯，10～40℃下磁力搅拌Ⅰ，然后加入丙烯酸磁力搅拌至全部溶解，再加入引发剂搅拌Ⅱ，最后加入丙烯酸短链烷基酯继续搅拌Ⅲ，混合均匀，得到溶液B；
S3.将溶液B超声消泡，然后倒入玻璃模具，在50～70℃下反应，得到具有单面自粘附性的透明疏水缔合水凝胶；
S4.将上述水凝胶完全浸泡在氯化铁水溶液和柠檬酸水溶液混合的溶液C中浸泡，取出冲洗，制得具有单面自粘附性的透明导电水凝胶。
优选地，步骤S1中所述搅拌的时间为10～60min，所述搅拌的转速为200～800转/分；步骤S2中所述搅拌Ⅰ的时间为2～5h，所述搅拌的速率为200～800转/分；所述搅拌Ⅱ的时间为10～30min；所述搅拌Ⅲ的时间为10～30min；步骤S3中所述超声消泡的时间为5～10min；所述反应的时间为4～12h；步骤S4中所述浸泡的时间为10～120min。
所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶作为柔性传感器可在电子皮肤或智能可穿戴电子设备领域中的应用。
本发明的导电水凝胶具有单面自粘附性，现有水凝胶制品要么是没有自粘附性的；要么整体对外表现粘性，不好操作。由于该水凝胶具有自粘附性的一面可以直接粘在皮肤上，该导电水凝胶可作为应变传感器件，进行人体活动的监测，在活动时不会发生松脱，测试信号会保持稳定。本发明的透明导电水凝胶的制备方法采用两步法，首先是在阴离子表面活性剂存在条件下，丙烯酸、疏水单体甲基丙烯酸长链烷基酯和丙烯酸短链烷基酯通过胶束共聚的方法制备出透明的疏水缔合水凝胶。疏水单体溶于阴离子表面活性剂胶束当中，在引发剂作用下，疏水单体可与亲水的丙烯酸单体发生共聚反应。其中，胶束作为缔合点与聚丙烯酸分子链形成物理交联作用，最终形成聚丙烯酸为主体的凝胶网络。通过调控阴离子表面活性剂的浓度和引入适量的丙烯酸丁酯，赋予所制备疏水缔合水凝胶强的单面粘附性。然后，将第一步所制备具有单面自粘附性的透明疏水缔合水凝胶在铁盐溶液中浸泡一段时间，得到具有单面自粘附性的透明导电水凝胶。导电水凝胶的自愈合特性源于聚合物网络的强疏水缔合作用。当水凝胶样品被切断后，其内部的疏水缔合结构也被打破，断口重新接起，阴离子表面活性剂增溶的疏水胶束可与聚丙烯酸分子链重新组装，形成新的完整的网络结构，最终达到自愈合效果。该导电水凝胶具有独特的单面自粘附性、高强度、可大变形能力、良好的导电性和透明性，可作为应变型柔性传感器件，在电子皮肤和智能可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。
柔性传感器包括应变型传感器和电容型传感器。柔性传感器是电子皮肤、智能可穿戴电子设备中的一个重要部件，可以用在电子皮肤、智能可穿戴电子设备中。本发明具有单面自粘附性的透明导电水凝胶的力学性能好，可拉伸大变形，可直接用作应变型传感器，通过记录柔性传感器伴随着人体运动伸展-回缩而产生的电阻变化来监测运动信号。而现在报道的一些自黏附导电水凝胶机械强度不太好，不适合直接作为应变传感器用，一般就通过将两片导电凝胶中间夹绝缘体，构建电容型柔性传感器，通过测试电容的变化来监测人体运动信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的导电水凝胶具有独特的单面自粘附性，能够方便快捷的直接粘贴在人体皮肤表面，测量人体生理信号、记录肢体运动信号。无需附加胶带的帮助，既简化了实际监测过程中应变传感器的组装，还保证了应变信号的准确捕捉，大大提高测试精度，可用作应变传感器。
2.本发明的导电水凝胶具有与人体组织相匹配的力学性能，如较低的模量(～40KPa)，较高拉伸强度(300～400KPa)，和优异大变形能力(>1700％)。
3.本发明的导电水凝胶具有良好的自愈合性，能够在遭受损坏时快速恢复其结构和功能，具有较强的安全性、可靠性和耐用性。
4.本发明的导电水凝胶具有良好的透明性，便于直接观察被测人体组织表面的情况。
5.本发明的制备方法简单易行，原料价格便宜，来源广泛，易于实现规模化生产。
附图说明
图1为实施例1制得的具有单面自粘附性透明导电水凝胶的结构示意图。
图2为实施例1制得的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶冻干样品放大2000倍的扫描电镜照片(SEM)。
图3为实施例1制得的具有单面自粘附性透明导电水凝胶与各种基材的粘附性能效果图。
图4为实施例1制得的具有单面自粘附性透明导电水凝胶导通LED灯照片。
图5为实施例1制得的具有单面自粘附性透明导电水凝胶作为应变传感器监测手指关节弯曲-伸直运动的测试信号图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
本发明实施例所用化学药品如下：十二烷基硫酸钠：又名月桂基硫酸钠，正十二烷基硫酸钠，分子式为C12H25NaO4S，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；丙烯酸：分子式为C3H4O2，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；丙烯酸正丁酯：分子式为C7H12O2，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；甲基丙烯酸十二烷基酯：又名甲基丙烯酸月桂醇酯，分子式为C39H72O6，分析纯，麦克林公司；过硫酸铵：分子式为H8N2O8S2，分析纯，天津致远化学试剂有限公司；六水合氯化铁：分子式为FeCl3·H2O，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；柠檬酸：分子式为C6H8O7，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司。
实施例1
图1为本发明制得的具有单面自粘附性透明导电水凝胶的结构示意图，具体制备过程如下：
1.将5.5g十二烷基硫酸钠(SDS)加入40ml去离子水中，在25℃下以800转/分的转速磁力搅拌30min，得到澄清溶液A；
2.在溶液A加入1.75ml甲基丙烯酸十二烷基酯(LMA)，25℃下以500转/分的转速磁力搅拌3h；然后加入10g丙烯酸(AAc)，在25℃下以500转/分的转速磁力搅拌20min至全部溶解，再加入80mg引发剂过硫酸铵搅拌30min，最后加入300μl丙烯酸丁酯(BA)，以500转/分的转速磁力搅拌20min，充分混合均匀，制得溶液B；
3.将溶液B超声消泡5min，然后倒入玻璃模具(100mm*100mm*2mm)，60℃下反应6h，得到具有单面自粘附性的疏水缔合水凝胶；
4.将500ml的0.1mol/L的氯化铁水溶液和500ml的0.6mol/L的柠檬酸水溶液混合均匀，制得溶液C；
5.将制备的具有单面自粘附性的疏水缔合水凝胶完全浸泡在混合溶液C中90min，取出用去离子水冲去浸泡后水凝胶的表面附着的浸泡液C，得到具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，置于玻璃器皿中密封存放备用。
本实施例实验基材为马口铁，具有单面自粘附性的透明导电水凝胶在25℃下的拉伸强度约为331.2KPa，拉伸形变量约为1926％，具有良好的柔韧性和弹性。在25℃下该具有单面自粘附性的透明导电水凝胶对马口铁的粘结强度约为67.5KPa。该具有单面自粘附性的透明导电水凝胶切断后在室温下无外力作用自愈合24h，修复效率约为65.5％。
图2为实施例1制得的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶冻干样品放大2000倍的扫描电镜照片(SEM)。从图2可知，实施例1制得的水凝胶经冷冻干燥去除水后，凝胶骨架为三维多孔结构。这种多孔结构为溶于水中的自由离子运动提供了充足的空间，有利于形成良好的导电通路。图3为实施例1制得的具有单面自粘附性透明导电水凝胶与各种基材的粘附性能效果图。其中，从A-E基材依次为皮肤、亚克力板、金属砝码、玻璃瓶和塑料瓶盖(主要成分为聚乙烯)。从图3可知，具有单面自粘附性透明导电水凝胶对多种基材都表现出良好的粘附性，包括皮肤、聚甲基丙烯酸甲酯板(亚克力板)、金属、玻璃，聚乙烯塑料。并且粘附性测试后水凝胶很容易从基材表面剥离且无任何残留。
图4为实施例1制得的具有单面自粘附性透明导电水凝胶导通LED灯照片。具有单面自粘附性的透明导电水凝胶展示出优异的离子导电能力，可以点亮LED灯。图5为实施例1制得的具有单面自粘附性透明导电水凝胶作为应变传感器监测手指弯曲-伸直运动的测试信号图。从图5可知，制得的具有单面自粘附性透明导电水凝胶作为应变传感器，直接粘附在手指上，检测手指弯曲-伸直运动。图5中照片显示导电水凝胶直接贴附在手指上，并通过导线将凝胶的两端分别接到电化学工作站的正负极，实时记录并计算传感器的电阻变化。电化学工作站的放电电压为1V。手指伸直时，电阻信号最低，随着手指弯曲，电阻变化信号增大，直到手指90°弯曲时，电阻变化最大，信号出现峰值。手指关节弯曲-伸直运动频率越快，电阻变化信号越密集，手指弯曲-伸直运动速度减慢，电阻信号变化随之减慢。在手指关节运动过程中，水凝胶样条可始终紧密贴合皮肤，对不同频率循环运动实现平稳准确的信号采集。
实施例2
1.取40ml去离子水，加入5.0g十二烷基硫酸钠，25℃下以500转/分的转速磁力搅拌25min，得到澄清溶液A；
2.在溶液A中加入1.75ml甲基丙烯酸十二烷基酯，以500转/分的转速磁力搅拌3h，然后再加入10g丙烯酸，以500转/分的转速磁力搅拌20min至全部溶解，再加入引发剂过硫酸铵90mg搅拌30min，最后加入200μl丙烯酸丁酯，以500转/分的转速磁力搅拌15min，充分混合均匀，制得溶液B；
3.将溶液B超声消泡5min，然后倒入玻璃模具(100mm*100mm*2mm)，60℃下反应4h，得到具有单面自粘附性的疏水缔合水凝胶；
4.将500ml的0.15mol/L的氯化铁水溶液和500ml的0.9mol/L的柠檬酸水溶液混合均匀，得到溶液C；
5.将制备的具有单面自粘附性的疏水缔合水凝胶完全浸泡在溶液C中60min，取出用去离子水冲去浸泡后水凝胶表面附着的浸泡液，得到具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，置于玻璃器皿中密封存放备用。
本实施例的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶在25℃下的拉伸强度约为366.8KPa，拉伸形变量约为2255％，具有良好的柔韧性。具有单面自粘附性的透明导电水凝胶切断后，在室温下无外力作用自愈合24小时，修复效率约为52.5％；25℃下该具有单面自粘附性的透明导电水凝胶对马口铁的粘结强度约为63.3KPa。
实施例3
1.取40ml去离子水，加入4.0g十二烷基硫酸钠，25℃下以500转/分的转速磁力搅拌15min，得到澄清溶液A。
2.在溶液A中加入1.75ml甲基丙烯酸十二烷基酯，25℃下以500转/分的转速磁力搅拌4h，然后再加入10g丙烯酸，在25℃下以500转/分的转速磁力搅拌20min至全部溶解，再加入引发剂过硫酸钾100mg搅拌30min，最后加入100μl丙烯酸丁酯，在25℃下以500转/分的转速磁力搅拌15min，充分混合均匀，得到溶液B；
3.将溶液B超声消泡5min，然后倒入玻璃模具(100mm*100mm*2mm)，60℃下反应8h，得到具有单面自粘附性的疏水缔合水凝胶；
4.将500ml的0.2mol/L的氯化铁水溶液和500ml的1.2mol/L的柠檬酸水溶液混合均匀，得到溶液C；
5.将制备的具有单面自粘附性的疏水缔合水凝胶完全浸泡在混合溶液中30min，取出用去离子水冲去浸泡后水凝胶样品表面附着的浸泡液，得到具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，置于玻璃器皿中密封存放备用。
本实施例的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶在25℃下的拉伸强度约为406.3KPa，拉伸形变量约为2230％，具有良好的柔韧性和拉伸大变形性。具有单面自粘附性的透明导电水凝胶切断后，在室温下无外力作用自愈合24小时，修复效率约为53.5％；在25℃下该具有单面自粘附性的透明导电水凝胶对马口铁的粘结强度约为52.3KPa。
对比例1
1.将6.0g十二烷基硫酸钠加入到40ml去离子水中，25℃下以800转/分的转速磁力搅拌15min，得到澄清溶液A。
2.在溶液A中加入1.75ml甲基丙烯酸十二烷基酯，以500转/分的转速磁力搅拌3h，然后再加入10g丙烯酸，以500转/分的转速磁力搅拌20min至全部溶解，再加入引发剂过硫酸胺80mg搅拌30min，充分混合均匀，得到溶液B；
3.将溶液B超声消泡5min，然后倒入玻璃模具(100mm*100mm*2mm)，60℃下反应4h，得到具有单面自粘附性的疏水缔合水凝胶。
4.将500ml的0.1mol/L的氯化铁水溶液和500ml的0.6mol/L的柠檬酸水溶液混合均匀，得到溶液C；
5.将制备的具有单面自粘附性的疏水缔合水凝胶完全浸泡溶液C中30min，取出用去离子水冲去浸泡后水凝胶样品表面附着的浸泡液，得到透明导电水凝胶，置于玻璃器皿中密封存放备用。
本对比例在制备过程中不加丙烯酸短链烷基酯，所得水凝胶的粘结力不足，自粘附性比较差。该透明导电水凝胶在25℃下该水凝胶的拉伸强度约为394.5KPa，拉伸形变量约为2197％，具有良好的柔韧性和拉伸大变形性。该透明导电水凝胶切断后，在室温下无外力作用自愈合24小时，修复效率约为50.7％；在25℃下该透明导电水凝胶对马口铁的粘结强度约为28.9KPa。对比例1的水凝胶无法实现对质量为50g的金属砝码、玻璃瓶和塑料离心管的粘结悬挂，对人体皮肤的粘结力也不足，在关节运动过程中易发生界面脱粘。
表1实施例1-3和对比例1分别与马口铁之间的粘结性能以及自愈合前后的拉伸性能。其中，制得的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶样品的拉伸性能测试在万能材料试验机上进行，测试样条为长条样，长度为400mm，宽度为10mm，厚度为2.0mm。夹具间距为10mm，拉伸速率为100mm/min。每种样品测试五条试样取平均值。具有单面自粘附性的透明导电水凝胶样品的自愈合性能测试在万能材料试验机上进行，测试样条为长条样，测试样条为长条样，长度为400mm，宽度为10mm，厚度为2.0mm。把水凝胶样条从中间切断，再在断口处重新接在一起，放置于密封玻璃容器中在室温下无任何外界作用其自愈合24h后进行拉伸性能测试。夹具间距为10mm，拉伸速率为100mm/min。每种样品测试五条试样取平均值。以切断后自愈合后样条的断裂伸长率与原始试样断裂伸长率的比值来描述自愈合效率。测试自愈合后样条的拉伸性能，并于原始样进行对比。在低于1500％应变时力学性能几乎完全恢复。具有单面自粘附性的透明导电水凝胶样品的粘结性能的测试在万能材料试验机上进行，采用拉伸剪切强度来反映水凝胶对基材的粘结性能。试样为双搭接结构，搭接面积为25mm*12.5mm，在试样的搭接面上施加纵向拉伸剪切力，加载速率为5mm/min，试样剪切破坏的最大复合除以搭接部分面积，即为水凝胶对测试基材的粘结界面剪切强度。
表1实施例1-3和对比例1分别与马口铁之间的粘结性能以及自愈合前后的拉伸性能
Figure BDA0002879685570000101
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、组合和简化，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)

1.一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，其特征在于，所述透明导电水凝胶是将阴离子型表面活性剂加入去离子水中，在30～80℃下磁力搅拌，得到溶液A；在溶液A中加入甲基丙烯酸长链烷基酯，10～40℃下磁力搅拌Ⅰ，然后加入丙烯酸磁力搅拌至全部溶解，再加入引发剂搅拌Ⅱ，最后加入丙烯酸短链烷基酯继续搅拌Ⅲ，混合均匀，得到溶液B；将溶液B超声消泡，然后倒入玻璃模具，在50～70℃下反应，得到具有单面自粘附性的透明疏水缔合水凝胶；将该水凝胶完全浸泡在氯化铁水溶液和柠檬酸水溶液混合的溶液C中浸泡，取出冲洗制得。
2.根据权利要求1所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，其特征在于，所述阴离子型表面活性剂的质量和去离子水的体积比为(1～5)g：20mL；所述搅拌的时间为10～60min，所述搅拌的转速为200～800转/分。
3.根据权利要求1所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，其特征在于，所述阴离子表面活性剂为脂肪醇硫酸(酯)盐或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，其分子通式分别为：ROSO3-M+和RO(CH2CH2O)n-SO3Na。
4.根据权利要求3所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，其特征在于，所述R为12～15的烷基；M+为钠离子、钾离子、铵离子或乙醇氨基阳离子；所述n＝2或3。
5.根据权利要求1所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，其特征在于，所述溶液A中去离子水和甲基丙烯酸长链烷基酯的体积比为40：(0.5～2)；所述丙烯酸的质量、引发剂的质量和甲基丙烯酸长链烷基酯的体积、丙烯酸短链烷基酯的体积比为10g：(50～150)mg：(0.5～2)mL：(50～500)μL。
6.根据权利要求5所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，其特征在于，所述甲基丙烯酸长链烷基酯的分子通式为：CH2＝C(CH3)COO(CH2)nCH3，其中n＝12～18；所述丙烯酸短链烷基酯的分子通式为：CH2＝CCOO(CH2)nCH3，其中n＝0～3；所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
7.根据权利要求1所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶，其特征在于，所述氯化铁水溶液的浓度为0.05～0.5mol/L，所述柠檬酸水溶液的浓度为0.3～3mol/L，所述氯化铁水溶液和柠檬酸水溶液的体积比为1：(0.5～2)。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.将阴离子型表面活性剂加入去离子水中，在30～80℃下磁力搅拌，得到溶液A；
S2.在溶液A中加入甲基丙烯酸长链烷基酯，10～40℃下磁力搅拌Ⅰ，然后加入丙烯酸磁力搅拌至全部溶解，再加入引发剂搅拌Ⅱ，最后加入丙烯酸短链烷基酯继续搅拌Ⅲ，混合均匀，得到溶液B；
S3.将溶液B超声消泡，然后倒入玻璃模具，在50～70℃下反应，得到具有单面自粘附性的透明疏水缔合水凝胶；
S4.将上述水凝胶完全浸泡在氯化铁水溶液和柠檬酸水溶液混合的溶液C中浸泡，取出冲洗，制得具有单面自粘附性的透明导电水凝胶。
9.根据权利要求8所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述搅拌的时间为10～60min，所述搅拌的转速为200～800转/分；步骤S2中所述搅拌Ⅰ的时间为2～5h，所述搅拌的速率为200～800转/分；所述搅拌Ⅱ的时间为10～30min；所述搅拌Ⅲ的时间为10～30min；步骤S3中所述超声消泡的时间为5～10min；所述反应的时间为4～12h；步骤S4中所述浸泡的时间为10～120min。
10.权利要求1-7任一项所述的具有单面自粘附性的透明导电水凝胶在电子皮肤或智能可穿戴电子设备领域中的应用。
CN202011639804.8A 2020-12-31 2020-12-31 一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和应用 Active CN112831062B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011639804.8A CN112831062B (zh) 2020-12-31 2020-12-31 一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011639804.8A CN112831062B (zh) 2020-12-31 2020-12-31 一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112831062A true CN112831062A (zh) 2021-05-25
CN112831062B CN112831062B (zh) 2022-07-05

Family

ID=75926834

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011639804.8A Active CN112831062B (zh) 2020-12-31 2020-12-31 一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112831062B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114573748A (zh) * 2022-04-02 2022-06-03 南京工业大学 水下黏附抗溶胀水凝胶及柔性应变传感器
CN115575341A (zh) * 2022-12-07 2023-01-06 之江实验室 一种基于透射光谱变化的自愈合材料表征方法
CN116147669A (zh) * 2022-11-22 2023-05-23 浙江理工大学 一种多模态皮肤样传感器的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104157904A (zh) * 2013-05-15 2014-11-19 深圳华粤宝电池有限公司 用于凝胶聚合物电解质的聚合物、凝胶聚合物电解质及其制备方法
CN107513165A (zh) * 2017-09-15 2017-12-26 长春工业大学 一种高强度粘性双层水凝胶及制备方法
KR20180105986A (ko) * 2017-03-16 2018-10-01 유비코스(주) 전도성 하이드로겔 시트 및 이의 제조방법
CN110358130A (zh) * 2019-07-26 2019-10-22 电子科技大学 一种提高水凝胶水下粘附能力的方法和相关水凝胶及其制备方法
CN110551296A (zh) * 2019-08-13 2019-12-10 天津大学 一种果胶基双物理交联水凝胶及制备方法和应用
CN111961231A (zh) * 2020-09-04 2020-11-20 清华大学 一种多功能导电水凝胶及其制备方法和用途

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104157904A (zh) * 2013-05-15 2014-11-19 深圳华粤宝电池有限公司 用于凝胶聚合物电解质的聚合物、凝胶聚合物电解质及其制备方法
KR20180105986A (ko) * 2017-03-16 2018-10-01 유비코스(주) 전도성 하이드로겔 시트 및 이의 제조방법
CN107513165A (zh) * 2017-09-15 2017-12-26 长春工业大学 一种高强度粘性双层水凝胶及制备方法
CN110358130A (zh) * 2019-07-26 2019-10-22 电子科技大学 一种提高水凝胶水下粘附能力的方法和相关水凝胶及其制备方法
CN110551296A (zh) * 2019-08-13 2019-12-10 天津大学 一种果胶基双物理交联水凝胶及制备方法和应用
CN111961231A (zh) * 2020-09-04 2020-11-20 清华大学 一种多功能导电水凝胶及其制备方法和用途

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIANG LI等: ""Synthesis and swelling behavior of a fully degradable physical cross-linked high strength hydrogel"", 《POLYMER TESTING》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114573748A (zh) * 2022-04-02 2022-06-03 南京工业大学 水下黏附抗溶胀水凝胶及柔性应变传感器
CN114573748B (zh) * 2022-04-02 2022-11-01 南京工业大学 水下黏附抗溶胀水凝胶及柔性应变传感器
CN116147669A (zh) * 2022-11-22 2023-05-23 浙江理工大学 一种多模态皮肤样传感器的制备方法
CN115575341A (zh) * 2022-12-07 2023-01-06 之江实验室 一种基于透射光谱变化的自愈合材料表征方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112831062B (zh) 2022-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112831062B (zh) 一种具有单面自粘附性的透明导电水凝胶及其制备方法和应用
Gao et al. Transparent and conductive amino acid-tackified hydrogels as wearable strain sensors
Liu et al. A compliant, self-adhesive and self-healing wearable hydrogel as epidermal strain sensor
CN111154037B (zh) 多功能海藻酸钠-P(SBMA-co-AAm)离子导电水凝胶及其制备方法
Liu et al. Injectable, tough and adhesive zwitterionic hydrogels for 3D-printed wearable strain sensors
Ma et al. Self-adhesive, anti-freezing MXene-based hydrogel strain sensor for motion monitoring and handwriting recognition with deep learning
Zhu et al. A self-healing, robust adhesion, multiple stimuli-response hydrogel for flexible sensors
Wang et al. Chitosan-driven biocompatible hydrogel based on water-soluble polypyrrole for stable human-machine interfaces
Wang et al. Zinc-ion engineered Plant-based multifunctional hydrogels for flexible wearable strain Sensors, Bio-electrodes and Zinc-ion hybrid capacitors
Xu et al. Flexible Li+/agar/pHEAA double-network conductive hydrogels with self-adhesive and self-repairing properties as strain sensors for human motion monitoring
Fan et al. Self-healing carrageenan-driven Polyacrylamide hydrogels for strain sensing
CN102167837B (zh) 一种离子聚合物-金属机敏电驱动复合材料的制备方法
CN110591002A (zh) 一种多功能壳聚糖复合水凝胶及其制备方法和用途
Chen et al. Highly transparent, self-healing, and self-adhesive double network hydrogel for wearable sensors
Shi et al. A transparent, anti-fatigue, flexible multifunctional hydrogel with self-adhesion and conductivity for biosensors
Wang et al. Pyramid structure-inspired biocompatible bilayer hydrogel based on supramolecular interactions for stable human–machine interface
CN114456579B (zh) 一种高强度共晶凝胶及其制备方法和应用、应变传感器
Shi et al. Stretchable, adhesive and low impedance hydrogel prepared by one-pot method used as ECG electrodes
CN113150326B (zh) 一种透明自粘附导电水凝胶的制备方法
Ma et al. Stretchable porous conductive hydrogel films prepared by emulsion template method as flexible sensors
CN113462032A (zh) 一种离子型电活性驱动器制备方法
CN110790949B (zh) 一种粘附水凝胶及其制备方法
CN114605712A (zh) 预聚液、生物相容性导电水凝胶及其制备方法
CN114573748B (zh) 水下黏附抗溶胀水凝胶及柔性应变传感器
Sha et al. Wearable, antibacterial, and self-healable modular sensors for monitoring joints movement ultra-sensitively

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant