CN112876695A - 多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法。制备包括：1)单体N‑丙烯酰‑2‑氨基乙酸ACG的制备；2)多重氢键水凝胶PACG‑SA离子传感器的制备。本发明的优点在于：海藻酸钠大分子和PACG形成双网络，并且分子链间形成大量的氢键，所以该水凝胶离子传感器具有较高的力学强度。体系中含水量高，离子的定向移动使其具有高灵敏度。该水凝胶离子传感器不添加化学交联剂，全靠分子间氢键的相互作用，因此具有良好的自修复性能。该水凝胶离子传感器制备方法简单，原料丰富，价格低廉，与传统的水凝胶离子传感器相比，具有高力学强度、高灵敏度及自修复等性能，在组织工程、柔性电子皮肤及智能传感器等领域有潜在的应用价值。

Description

多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器 的制备方法

技术领域

本发明属于功能高分子材料领域，特别是涉及一种具有高强度、高灵敏度和自修复的多重氢键水凝胶离子传感器的制备方法及应用。

背景技术

水凝胶是一种具有三维网状结构的柔性材料，含水量高，生物相容性好，类似于人体组织，所以水凝胶被广泛的应用于各个领域。由于水凝胶具有可拉伸性，导电性，及良好的生物相容性等独特的性质，所以在可穿戴设备，生物监测及机器人皮肤等领域拥有广泛的应用。目前存在的水凝胶的力学性能一般都不好，在承受较大的冲击时易破裂，也承受不了较大的拉伸，并且传感器的灵敏度也普遍不是很高，使其在应用的范围上大大缩减。而在生物体主要都是利用离子来传递电信号，而基于离子导电机理的凝胶材料被广泛应用于柔性电子及传感器材料。

发明内容

本发明的目的是解决了现有水凝胶材料机械强度低、响应速度慢、灵敏度低的问题，提供一种具有高强度、高灵敏度和自修复的多重氢键水凝胶离子传感器的制备方法。

本发明基于海藻酸钠SA与N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG之间的多重弱氢键和协同效应，并将锂离子包覆在水凝胶之中，制备出的水凝胶具有较高的强度、较高的敏感性和自修复性。因此，所制备的水凝胶在生物监测、智能可穿戴设备、软质机器人等方面具有很大的应用潜力。

本发明的技术方案：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，步骤如下：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)按质量份数计(如无特别说明，以下各步中的份数均为按质量计)，将288份甘氨酸加入到烧瓶中，加入3840份2mol/lKOH溶液，剧烈搅拌1-3h，使其完全溶解；

步骤1.2)将384份丙烯酰氯溶解在640份无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)烧瓶中，并控制在0.5-1h滴完；滴加完毕后，在冰浴中反应1-1.5h，随后撤冰浴，在室温下反应1-1.5h后停止搅拌；

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入1280份无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复；然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2，再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入1280份乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取；将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥；

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将15-60份氯化锂LiCl和10-35份海藻酸钠SA溶解在160份水中并加入到烧瓶中，搅拌2-3h至溶液变为均匀透明；

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到的20-80份ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌1-2h直至固体全部溶解，随后加入1.6份引发剂KPS和1.6份催化剂TEMED继续搅拌0.5-1h；

步骤2.3)将步骤2.2)得到的溶液迅速转移到模具中，在60℃-70℃下反应1-2h形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

所制备的水凝胶PACG-SA离子传感器的性能检测方法，步骤如下：

1)将制备的水凝胶PACG-SA离子传感器裁剪成长3cm、宽5mm的哑铃型样条，用万能拉力机(深圳三思纵横科技股份有限公司)以50mm/min的速度拉伸，记录应力和断裂伸长率。控制应变200％，拉伸速率为50mm/min，进行循环加载-卸载测试。为确保数据准确性，每组样品测试至少3次，结果取平均值。

2)将制备的水凝胶PACG-SA离子传感器固定在高精度步进电机上，并分别控制小应变为5％、7.5％、10％，拉伸速率为50mm/min，大应变为50％、100％、200％，拉伸速率为200mm/min，并与型号为吉时利2400的数字源表联用，实时记录电阻随形变的变化。

3)将制备的水凝胶PACG-SA离子传感器剪成不同长度，并分别固定在身体的各个部位，包括手指、手腕、膝关节等部位，两端分别用导线连接到型号为吉时利2400的数字源表上，并与电脑连接，实时监测水凝胶的电阻变化。每次动作重复至少5次。将制备的水凝胶PACG-SA离子传感器剪成3×0.8×0.5cm，固定在声带振动的位置，并发出不同的声音，实时记录声带振动引起的电阻变化，并记录不同测试者发出的声音，分辨音色的变化，以及不同国别语音的区别，每次动作重复至少5次。

4)将制备的水凝胶PACG-SA离子传感器的表面浅浅的划上一道痕迹，放在光学显微镜下观察痕迹的逐渐消失。另外将水凝胶做成直径25mm和厚度1mm的圆形样品，在10rad/s的固定角频率，设置1％和500％的交替震荡应变，周期为60s。用旋转流变仪研究水凝胶网络结构的塌陷和重组，进一步研究水凝胶的自修复性能。

本发明的优点和有益效果：

该方法制备的水凝胶PACG-SA离子传感器具有高强度、高灵敏度和自修复性能，在柔性电子皮肤、语言识别及可穿戴电子设备领域可发挥重要作用，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为水凝胶PACG-SA离子传感器的力学性能检测。其中，a为不同的ACG单体含量的水凝胶的拉伸应力-应变曲线，b为ACG含量为1.85g的水凝胶在应变200％下循环拉伸曲线。

图2为水凝胶PACG-SA离子传感器的应变响应性检测。其中，a为小应变下水凝胶PACG-SA离子传感器相对电阻变化曲线，b为大应变下水凝胶PACG-SA离子传感器相对电阻变化曲线。

图3为水凝胶PACG-SA离子传感器的不同身体部位运动和语言检测。其中，a为水凝胶PACG-SA离子传感器在手指弯曲45°、90°时相对电阻变化曲线，b-d分别为手腕、膝盖、喉结运动时实时电阻的相对变化曲线，e、f分别为水凝胶PACG-SA离子传感器记录的英文“Hello”及“Thankyou”的相对电阻变化曲线。

图4为水凝胶PACG-SA离子传感器的自修复检测。其中，a为在光学显微镜下观察到的划痕随时间的推移逐渐消失的图片，b为在不同的应变下水凝胶PACG-SA离子传感器的储能模量和损耗模量的相对变化。

具体实施方式

实施例1：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)将9g甘氨酸加入到圆底烧瓶中，加入120g 2mol/L的KOH溶液，剧烈搅拌2h，使其完全溶解。

步骤1.2)将12g丙烯酰氯溶解在20g无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)圆底烧瓶中，并控制在0.5h滴完。滴加完毕后，在冰浴中反应1.5h。随后撤冰浴，在室温下反应1.5h后停止搅拌。

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入40g的无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复三次。然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2。再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入40g乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取三次。将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥。

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将0.135g氯化锂LiCl和0.075g海藻酸钠SA溶解在5g水中并加入到圆底烧瓶中，搅拌3h至溶液变为均匀透明。

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到1.85g的ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌2h直至固体全部溶解，随后加入0.05g引发剂KPS和0.05g催化剂TEMED继续搅拌0.5h。

步骤2.3)将得到的溶液迅速转移到模具中，在70℃下反应1h便可以形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

实施例2：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)将9g甘氨酸加入到圆底烧瓶中，加入120g 2mol/L的KOH溶液，剧烈搅拌1h，使其完全溶解。

步骤1.2)将12g丙烯酰氯溶解在20g无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)圆底烧瓶中，并控制在1h滴完。滴加完毕后，在冰浴中反应1h。随后撤冰浴，在室温下反应1h后停止搅拌。

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入40g的无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复三次。然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2。再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入40g乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取三次。将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥。

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将0.135g氯化锂LiCl和0.075g海藻酸钠SA溶解在5ml水中并加入到圆底烧瓶中，搅拌2h至溶液变为均匀透明。

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到0.625g的ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌1h直至固体全部溶解，随后加入0.05g引发剂KPS和0.05g催化剂TEMED继续搅拌1h。

步骤2.3)将得到的溶液迅速转移到模具中，在60℃下反应2h便可以形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

实施例3：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)将9g甘氨酸加入到圆底烧瓶中，加入120g2mol/L的KOH溶液，剧烈搅拌3h，使其完全溶解。

步骤1.2)将12g丙烯酰氯溶解在20g无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)圆底烧瓶中，并控制在0.75h滴完。滴加完毕后，在冰浴中反应1.25h。随后撤冰浴，在室温下反应1.25h后停止搅拌。

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入40g的无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复三次。然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2。再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入40g乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取三次。将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥。

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将0.135g氯化锂LiCl和0.075g海藻酸钠SA溶解在5g水中并加入到圆底烧瓶中，搅拌2.5h至溶液变为均匀透明。

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到1.25g的ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌1.5h直至固体全部溶解，随后加入0.05g引发剂KPS和0.05g催化剂TEMED继续搅拌0.75h。

步骤2.3)将得到的溶液迅速转移到模具中，在65℃下反应2h便可以形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

实施例4：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)将9g甘氨酸加入到圆底烧瓶中，加入120g2mol/L的KOH溶液，剧烈搅拌2h，使其完全溶解。

步骤1.2)将12g丙烯酰氯溶解在20g无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)圆底烧瓶中，并控制在0.5h滴完。滴加完毕后，在冰浴中反应1.5h。随后撤冰浴，在室温下反应1.5h后停止搅拌。

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入40g的无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复三次。然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2。再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入40g乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取三次。将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥。

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将0.135g氯化锂LiCl和0.075g海藻酸钠SA溶解在5g水中并加入到圆底烧瓶中，搅拌3h至溶液变为均匀透明。

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到2.5g的ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌2h直至固体全部溶解，随后加入0.05g引发剂KPS和0.05g催化剂TEMED继续搅拌0.5h。

步骤2.3)将得到的溶液迅速转移到模具中，在60℃下反应1.5h便可以形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

实施例5：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)将9g甘氨酸加入到圆底烧瓶中，加入120g2mol/L的KOH溶液，剧烈搅拌2h，使其完全溶解。

步骤1.2)将12g丙烯酰氯溶解在20g无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)圆底烧瓶中，并控制在0.5h滴完。滴加完毕后，在冰浴中反应1.5h。随后撤冰浴，在室温下反应1.5h后停止搅拌。

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入40g的无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复三次。然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2。再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入40g乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取三次。将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥。

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将0.045g氯化锂LiCl和0.075g海藻酸钠SA溶解在5g水中并加入到圆底烧瓶中，搅拌3h至溶液变为均匀透明。

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到1.85g的ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌2h直至固体全部溶解，随后加入0.05g引发剂KPS和0.05g催化剂TEMED继续搅拌0.5h。

步骤2.3)将得到的溶液迅速转移到模具中，在70℃下反应2h便可以形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

实施例6：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)将9g甘氨酸加入到圆底烧瓶中，加入120g2mol/L的KOH溶液，剧烈搅拌2h，使其完全溶解。

步骤1.2)将12g丙烯酰氯溶解在20g无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)圆底烧瓶中，并控制在0.5h滴完。滴加完毕后，在冰浴中反应1.5h。随后撤冰浴，在室温下反应1.5h后停止搅拌。

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入40g的无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复三次。然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2。再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入40g乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取三次。将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥。

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将0.09g氯化锂LiCl和0.075g海藻酸钠SA溶解在5g水中并加入到圆底烧瓶中，搅拌3h至溶液变为均匀透明。

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到1.85g的ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌2h直至固体全部溶解，随后加入0.05g引发剂KPS和0.05g催化剂TEMED继续搅拌0.5h。

步骤2.3)将得到的溶液迅速转移到模具中，在70℃下反应1h便可以形成水凝胶PACG-SA离子传感器

实施例7：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)将9g甘氨酸加入到圆底烧瓶中，加入120g2mol/L的KOH溶液，剧烈搅拌2h，使其完全溶解。

步骤1.2)将12g丙烯酰氯溶解在20g无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)圆底烧瓶中，并控制在0.5h滴完。滴加完毕后，在冰浴中反应1.5h。随后撤冰浴，在室温下反应1.5h后停止搅拌。

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入40g的无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复三次。然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2。再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入40g乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取三次。将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥。

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将0.18g氯化锂LiCl和0.075g海藻酸钠SA溶解在5g水中并加入到圆底烧瓶中，搅拌3h至溶液变为均匀透明。

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到1.85g的ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌2h直至固体全部溶解，随后加入0.05g引发剂KPS和0.05g催化剂TEMED继续搅拌0.5h。

步骤2.3)将得到的溶液迅速转移到模具中，在70℃下反应1h便可以形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

实施例8：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)将9g甘氨酸加入到圆底烧瓶中，加入120g2mol/L的KOH溶液，剧烈搅拌2h，使其完全溶解。

步骤1.2)将12g丙烯酰氯溶解在20g无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)圆底烧瓶中，并控制在0.5h滴完。滴加完毕后，在冰浴中反应1.5h。随后撤冰浴，在室温下反应1.5h后停止搅拌。

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入40g的无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复三次。然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2。再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入40g乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取三次。将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥。

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将0.135g氯化锂LiCl和0.0315g海藻酸钠SA溶解在5g水中并加入到圆底烧瓶中，搅拌3h至溶液变为均匀透明。

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到1.85g的ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌2h直至固体全部溶解，随后加入0.05g引发剂KPS和0.05g催化剂TEMED继续搅拌0.5h。

步骤2.3)将得到的溶液迅速转移到模具中，在70℃下反应1h便可以形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

实施例9：

一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)将9g甘氨酸加入到圆底烧瓶中，加入120g2mol/L的KOH溶液，剧烈搅拌2h，使其完全溶解。

步骤1.2)将12g丙烯酰氯溶解在20g无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)圆底烧瓶中，并控制在0.5h滴完。滴加完毕后，在冰浴中反应1.5h。随后撤冰浴，在室温下反应1.5h后停止搅拌。

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入40g的无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复三次。然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2。再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入40g乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取三次。将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥。

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将0.135g氯化锂LiCl和0.1125g海藻酸钠SA溶解在5g水中并加入到圆底烧瓶中，搅拌3h至溶液变为均匀透明。

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到1.85g的ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌2h直至固体全部溶解，随后加入0.05g引发剂KPS和0.05g催化剂TEMED继续搅拌0.5h。

步骤2.3)将得到的溶液迅速转移到模具中，在70℃下反应1h便可以形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

所制备的水凝胶PACG-SA离子传感器的检测方法，步骤如下：

1)水凝胶PACG-SA离子传感器的力学性能检测

将制备的水凝胶PACG-SA离子传感器裁剪成标准哑铃型样条，用万能拉力机(深圳三思纵横科技股份有限公司)以50mm/min的速度拉伸，记录应力，断裂伸长率，测量其力学性能，并控制应变为200％，拉伸速率为50mm/min，进行循环卸载-负载测试。检测结果参见图1，图中：a为不同的ACG单体含量的水凝胶的拉伸应力-应变曲线，b为ACG含量为1.85g的水凝胶在应变200％下循环拉伸曲线。从结果中可以看出，随着ACG含量的变化，水凝胶的力学性能先逐渐增强而后减小，最大的拉伸强度达0.95MPa，断裂伸长率达507％。表明该水凝胶具有优异的力学性能和可重复拉伸性能。

2)水凝胶PACG-SA离子传感器的应变响应性检测

将制备的水凝胶PACG-SA离子传感器固定在高精度步进电机上，并分别控制小应变为5％、7.5％、10％，拉伸速率为50mm/min,大应变为50％、100％、200％，拉伸速率为200mm/min,并与型号为吉时利2400的数字源表联用，实时记录电阻随形变的变化。检测结果参见图2，图中：a为小应变5％，7.5％、10％时水凝胶PACG-SA离子传感器相对电阻变化曲线，b为大应变50％、100％、200％时水凝胶PACG-SA离子传感器相对电阻变化曲线。从结果中可以看出，图中a、b表明该离子导电水凝胶对不同的应变具有快速应变响应性，而且当保持固定应变时，水凝胶的相对电阻变化基本保持不变，表明具有良好的应变响应稳定性。

3)水凝胶PACG-SA离子传感器的不同身体部位运动和语言检测

将不同长度的水凝胶PACG-SA离子传感器分别固定在身体的各个部位，包括手指、手腕、喉结、膝关节等部位，两端分别用导线连接到型号为吉时利2400的数字源表上，并与电脑连接，实时监测水凝胶的电阻变化。检测结果参见图3，图中：a为水凝胶PACG-SA离子传感器在手指弯曲45°、90°时相对电阻变化曲线，b、c分别为手腕、膝盖弯曲时实时电阻的相对变化曲线，d为吞咽时实时电阻的相对变化曲线。从结果中可以看出，该凝胶具有快速的应变响应性，不仅能够实时监测身体各部位的运动变化，还能够区分出身体不同部位的变化行为，而且当形变恢复时，相对电阻变化也能恢复，具有高灵敏度和应变响应性。e、f分别为水凝胶PACG-SA离子传感器记录的英文“Hello”及“Thankyou”的相对电阻变化曲线，从结果中可以看出，该水凝胶PACG-SA离子传感器能够区分不同的语言。因此，能够在可穿戴电子设备及运动监测语言识别领域有潜在的应用价值。

4)水凝胶PACG-SA离子传感器的自修复性能检测

将制备水凝胶PACG-SA离子传感器的表面浅浅的划上一道痕迹，放在光学显微镜下观察痕迹的逐渐消失。另外将水凝胶做成直径25mm和厚度1mm的圆形样品，在10rad/s的固定角频率，设置1％和500％的交替震荡应变，周期为60s。用旋转流变仪研究水凝胶网络结构的塌陷和重组，进一步研究水凝胶PACG-SA离子传感器的自修复性能。检测结果如图4，图中：a为在光学显微镜下观察到的划痕随时间的推移逐渐消失的图片，b为在不同的应变下水凝胶PACG-SA离子传感器的储能模量和损耗模量的相对变化，图中的数据说明了该水凝胶PACG-SA离子传感器可以实现凝胶态转化。综上可以说明这个水凝胶PACG-SA离子传感器具有良好的自修复性能。

Claims (1)

1.一种多重氢键水凝胶作为高灵敏度、高强度和自修复离子传感器的制备方法，步骤如下：

步骤1)单体N-丙烯酰-2-氨基乙酸ACG的制备

步骤1.1)以下各步按质量份数计，将288份甘氨酸加入到烧瓶中，加入3840份2mol/lKOH溶液，剧烈搅拌1-3h，使其完全溶解；

步骤1.2)将384份丙烯酰氯溶解在640份无水乙醚中，通过滴液漏斗加入到上述步骤1.1)烧瓶中，并控制在0.5-1h滴完；滴加完毕后，在冰浴中反应1-1.5h，随后撤冰浴，在室温下反应1-1.5h后停止搅拌；

步骤1.3)将上述步骤1.2)得到的液体引入到烧杯中，加入1280份无水乙醚，然后转移到分液漏斗中静置分层，取下层液体，并重复；然后将得到的液体用稀盐酸调节到PH＝2，再将调节好PH的液体转移到分液漏斗中并加入1280份乙酸乙酯，摇晃静置，取上层的液体，并重复萃取；将得到的液体进行旋蒸，直至液体蒸干，最后将得到的ACG固体进行真空干燥；

步骤2)水凝胶PACG-SA离子传感器的制备

步骤2.1)将15-60份氯化锂LiCl和10-35份海藻酸钠SA溶解在160份水中并加入到烧瓶中，搅拌2-3h至溶液变为均匀透明；

步骤2.2)将上述步骤1.3)制备得到的20-80份ACG单体，加入到上述步骤2.1)溶液中，真空抽气并搅拌1-2h直至固体全部溶解，随后加入1.6份引发剂KPS和1.6份催化剂TEMED继续搅拌0.5-1h；

步骤2.3)将步骤2.2)得到的溶液迅速转移到模具中，在60℃-70℃下反应1-2h形成水凝胶PACG-SA离子传感器。

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