CN114044920A - 一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强韧和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料及其制备方法和应用。该水凝胶是由明胶、聚(丙烯酰胺‑[2‑(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基‑(3‑磺酸丙基)氢氧化铵)(P(AM‑SBMA))以及聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)组成的导电聚合物水凝胶。在该水凝胶中，丙烯酰胺和明胶起到均匀分散导电聚合物的作用，SBMA([2‑(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基‑(3‑磺酸丙基)氢氧化铵)和导电聚合物赋予水凝胶导电性。由此制备的水凝胶具有优越的可拉伸性(应变≈1650％)、抗拉强度(380kPa)以及良好的应变灵敏度(GF≈1.37，150％‑300％)，可以稳定的输出信号以及检测人体运动(肘、腕以及发声)，以及将传感器与Arduino NANO单片机连接使其更易进行人体运动检测。

Description

一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料及其 制备方法和应用
技术领域
本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种高强韧和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料的制备方法及其电子器件的制备，更具体的说，本发明涉及一种高强韧和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料及其制备方法和应用。
背景技术
可穿戴设备的出现为许多行业以及领域的发展提供了方向，其中尤其以电子产业以及医疗保健设备居多。但是，可穿戴设备目前大多数都局限于传统形式，可拉伸性低并且不能任意变形，故柔性、可拉伸性的可穿戴设备被广泛研究，以便能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足人体对于设备的变形要求，如电子皮肤、光电装置、全固态电池、触摸屏、以及人体运动应变传感器等。
柔性传感器设备可通过被拉伸或压缩将机械性能的变化转化为电子信号进而检测，即设备被拉伸或压缩时电阻或电容发生变化。这就为监测人体运动、人机交互等方面的发展提供了可能。然而，传统的传感器是通过将金属、石墨烯、导电聚合物等导电材料嵌入弹性基底中制备的，其灵敏度虽高，但是刚性太强，可拉伸性差，故而其应用会受到限制。
高拉伸性、高灵活性的应变传感器备受关注，目前，有两种方式制备应变传感器水凝胶，第一种是通过将石墨烯、碳纳米管、纳米颗粒等纳米材料和无机盐嵌入水凝胶中制备应变传感器。但是纳米材料和无机盐往往会因为与柔性聚合物网络结构不相容而导致分布不均匀，这会影响水凝胶的传感性能以及可重复性。因此，开发一种不添加任何导电纳米填充物但同时具备高拉伸性以及高灵敏度的水凝胶传感器仍然是一个巨大挑战。另外一种制备应变传感器的方法为向水凝胶中加入导电聚合物，导电聚合物是一种具有共轭π键结构的高分子聚合物，具有良好的机械性能和导电性能，并且其固有的共轭链能为水凝胶提供一定的结构灵活性和兼容性，以此来适应水凝胶内其他聚合物，从而进一步增强水凝胶的机械性能。
发明内容
针对现有传统水凝胶传感器强度、韧性和应变敏感性能差等技术问题，本发明的目的在于提供一种高强韧和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料及其制备方法和应用。
一种高强韧和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)将丙烯酰胺加入到去离子水中，然后常温条件下搅拌至透明，转速为400r/min，使丙烯酰胺完全溶解，获得丙烯酰胺溶液，丙烯酰胺单体质量浓度为27％；
步骤(2)向步骤(1)中加入PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)，然后常温下搅拌至透明，转速为400r/min，使导电聚合物分散均匀，获得AM/PEDOT：PSS(丙烯酰胺/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)混合溶液，PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)的加入体积分数为1％-7％；
步骤(3)向步骤(2)中加入明胶、SBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)以及过硫酸铵(APS)，其中明胶质量浓度为2％-8％，SBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)质量浓度为3％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)的质量浓度为0.089％，过硫酸铵(APS)的质量浓度为0.03％，然后在60℃条件下搅拌，转速为400r/min，使试剂完全溶解，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液；
步骤(4)将步骤(3)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液转移至模具中，并在60℃条件下热处理7h，热处理结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶；
步骤(5)将步骤(4)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶至于4℃冰箱中1h，结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料。
所述步骤(1)中的混合溶剂中去离子水和丙烯酰胺的质量比为1:0.3。
所述步骤(1)中的转速为400r/min。
所述步骤(2)中的PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)的加入体积分数为1％-7％。
所述步骤(2)中的转速为400r/min。
所述步骤(3)中的明胶质量浓度为2％-8％。
所述步骤(3)中的SBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)质量浓度为3％。
所述步骤(3)中的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)的质量浓度为0.089％。
所述步骤(3)中的过硫酸铵(APS)的质量浓度为0.03％。
所述步骤(3)中的转速为400r/min。
本发明和现有技术相比具有以下益处：
1)可穿戴设备目前大多数都局限于传统形式可拉伸性低并且不能任意变形，故柔性、可拉伸性的可穿戴设备被广泛研究，以便能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足人体对于设备的变形要求，本发明首先利用丙烯酰胺均匀分散PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)，再加入SBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)优化导电通路，之后加入明胶增加水凝胶机械性能，进而得到Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶，该水凝胶拉伸量能达到1650％，韧性达到380kPa；
2)本发明制得的高强度和韧性的导电聚合物水凝胶传感器,同时具有高应变敏感系数[GF＝1.37(150％-300％)]，在大应变和小应变下都能重复多次检测出稳定的电信号，因此可以用于人体各关节的运动监测。
(3)本发明提供的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料合成过程操作简单，易于控制。由于本发明采用的原材料都具有良好的生物相容性和无毒性，将其制备成可穿戴设备能够安全有效的监测人体各部位运动。
附图说明
图1中a)为实施例1中柔性导电聚合物水凝胶应力应变曲线图，b)为实施例1中柔性导电聚合物水凝胶进行10次拉伸循环试验；
图2中a)为实施例1中制备的导电聚合物水凝胶在不同应变条件下对应的相对电阻变化(ΔR/Ro)曲线图，b)为实施例1中制备的导电聚合物水凝胶的相对电阻变化(ΔR/Ro)与拉伸应变的线性拟合曲线图，c)为实施例1中制备的导电聚合物水凝胶传感器在重复小应变和大应变下稳定的相对电阻变化曲线图；
图3中a)、b)、c)分别为本实施例1制备的导电聚合物水凝胶用于监测人体手腕运动、膝盖运动和喉咙发声时相对电阻变化曲线图。
图4中a)为实施例1中导电聚合物水凝胶与电阻转电压模块、Arduino NANO单片机以及蓝牙模块的结构示意图。b)图为实际连接示意图，c)图为手指弯曲运动实际监测结果示意图。
具体实施方式
下面通过实施案例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施案例。
实施例1：
一种Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)将2.7g丙烯酰胺加入到9.0mL去离子水中，然后常温条件下搅拌至透明，使丙烯酰胺完全溶解，获得丙烯酰胺溶液；
步骤(2)向步骤(1)中加入0.1mL的PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)，然后常温下搅拌至透明，使导电聚合物分散均匀，获得AM/PEDOT：PSS(丙烯酰胺/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)混合溶液；
步骤(3)向步骤(2)中加入0.4g明胶、0.3gSBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)、MBA(N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，质量浓度为0.089％)以及APS(过硫酸铵，质量浓度为0.03％)，之后补足10mL溶液，然后在60℃条件下搅拌，使试剂完全溶解，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液；
步骤(4)将步骤(3)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液转移至硅胶垫厚度为1.5mm的模具中，并在60℃条件下热处理7h，热处理结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶；
步骤(5)将步骤(4)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶至于4℃冰箱中1h，结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料。
实施例2：
一种Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)将2.7g丙烯酰胺加入到9.0mL去离子水中，然后常温条件下搅拌至透明，使丙烯酰胺完全溶解，获得丙烯酰胺溶液；
步骤(2)向步骤(1)中加入0.3mL的PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)，然后常温下搅拌至透明，使导电聚合物分散均匀，获得AM/PEDOT：PSS(丙烯酰胺/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)混合溶液；
步骤(3)向步骤(2)中加入0.4g明胶、0.3gSBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)、MBA(N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，质量浓度为0.089％)以及APS(过硫酸铵，质量浓度为0.03％)，之后补足10mL溶液，然后在60℃条件下搅拌，使试剂完全溶解，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液；
步骤(4)将步骤(3)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液转移至硅胶垫厚度为1.5mm的模具中，并在60℃条件下热处理7h，热处理结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶；
步骤(5)将步骤(4)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶至于4℃冰箱中1h，结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料。
实施例3
一种Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)将2.7g丙烯酰胺加入到9.0mL去离子水中，然后常温条件下搅拌至透明，使丙烯酰胺完全溶解，获得丙烯酰胺溶液；
步骤(2)向步骤(1)中加入0.5mL的PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)，然后常温下搅拌至透明，使导电聚合物分散均匀，获得AM/PEDOT：PSS(丙烯酰胺/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)混合溶液；
步骤(3)向步骤(2)中加入0.4g明胶、0.3gSBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)、MBA(N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，质量浓度为0.089％)以及APS(过硫酸铵，质量浓度为0.03％)，之后补足10mL溶液，然后在60℃条件下搅拌，使试剂完全溶解，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液；
步骤(4)将步骤(3)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液转移至硅胶垫厚度为1.5mm的模具中，并在60℃条件下热处理7h，热处理结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶；
步骤(5)将步骤(4)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶至于4℃冰箱中1h，结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料。
实施例4
一种Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)将2.7g丙烯酰胺加入到9.0mL去离子水中，然后常温条件下搅拌至透明，使丙烯酰胺完全溶解，获得丙烯酰胺溶液；
步骤(2)向步骤(1)中加入0.7mL的PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)，然后常温下搅拌至透明，使导电聚合物分散均匀，获得AM/PEDOT：PSS(丙烯酰胺/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)混合溶液；
步骤(3)向步骤(2)中加入0.4g明胶、0.3gSBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)、MBA(N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，质量浓度为0.089％)以及APS(过硫酸铵，质量浓度为0.03％)，之后补足10mL溶液，然后在60℃条件下搅拌，使试剂完全溶解，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液；
步骤(4)将步骤(3)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液转移至硅胶垫厚度为1.5mm的模具中，并在60℃条件下热处理7h，热处理结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶；
步骤(5)将步骤(4)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶至于4℃冰箱中1h，结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料。
具体实施例1中制备的柔性导电聚合物水凝胶的拉伸应力应变曲线如图1a)所示，从图中可以看出水凝胶具有优越的可拉伸性(应变≈1650％)，高抗拉强度(380kPa)。图1b)为水凝胶在应变为500％时连续拉伸10次而没有停滞时间的加载-卸载曲线和压缩循环曲线，从图中可以看出10次拉伸循环过程能明显观察到第一次加载所得到的曲线与之后的曲线不同，这是因为水凝胶内部网络被破坏而不能立即恢复所导致的，但是，在之后的九次循环，水凝胶的应力以及滞后能量基本保持不变，这表明能量耗散有限，水凝胶内的一些动态键(静电相互作用和氢键相互作用)断裂之后可形成均匀的网络结构，具有良好的抗疲劳性能。
具体实施例1中制备的导电聚合物水凝胶在不同应变条件下对应的相对电阻变化(ΔR/Ro)曲线如图2a)所示。水凝胶从应变0％增加到400％，水凝胶电阻呈现阶梯状增加趋势，而之后释放应力，水凝胶仍然呈现阶梯状减小趋势，且水凝胶在保持拉伸和保持释放拉伸过程中，其电阻保持一个恒定的值，表明水凝胶的应变与电阻之间具有良好的变化，与之后测试的应变因子是一致的。
具体实施例1中制备的导电聚合物水凝胶的相对电阻变化(ΔR/Ro)与拉伸应变的线性拟合曲线如图2b)所示。水凝胶拉伸之后电阻逐渐升高，这一变化呈线性关系，经过线性拟合之后，小应变(0％-150％)拉伸应变因子为0.745，大应变(150％-300％)拉伸应变因子为1.367，拟合系数高达0.997，这对于应传感器的实际应用十分重要，因为良好的线性会大大降低数据校准的难度。
具体实施例1中制备的导电聚合物水凝胶传感器在重复小应变和大应变下稳定的相对电阻变化曲线如图2c)所示，五个拉伸回复循环过程导电水凝胶的电阻与时间变化曲线，导电水凝胶在小应变(10％-50％)与大应变(50％-400％)下电阻变化信号都明显且稳定，表明水凝胶具有较高的应变灵敏度以及在不同应变范围内都具有良好的工作可靠性。
具体实施例1中制备的导电聚合物水凝胶用于监测人体手腕运动、膝盖运动和喉咙发声时相对电阻变化曲线如图3所示，该应变传感器可清楚感知手腕弯曲，手腕弯曲时水凝胶被拉伸，而恢复至水平时水凝胶上的拉力被卸载，从而导致其阻力下降。图3a)和图3b)为腕关节和膝关节的检测结果，可以看出，水凝胶经过人体运动被拉伸之后其电阻变化很明显能被检测出来，且经过几次循环过程之后其电阻值几乎不变，所以该水凝胶具有很高的性能稳定性。如图3c)所示，将水凝胶应变传感器连接到喉咙上来识别说话过程，说话所产生的信号明显且稳定，能够清晰地反映人体发声这一过程，并且当重复发音时，电阻变化表现出明显的再现性。
具体实施例1中制备的导电聚合物水凝胶与电阻转电压模块、Arduino NANO单片机以及蓝牙模块连接制备电子器件进行人体运动检测如图4a)所示，为导电聚合物水凝胶与电阻转电压模块、Arduino NANO单片机以及蓝牙模块的结构示意图。图4b)图为实际连接示意图，4c)图为手指弯曲运动实际监测结果示意图。结果显示手指连续弯曲伸直过程可以被制备的电子器件准确测定。

Claims (6)

1.一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料的制备方法，其特征在于所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)将丙烯酰胺加入到去离子水中，然后常温条件下搅拌至透明，转速为400r/min，使丙烯酰胺完全溶解，获得丙烯酰胺溶液，丙烯酰胺单体质量浓度为27％；
步骤(2)向步骤(1)中加入PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)，然后常温下搅拌至透明，转速为400r/min，使导电聚合物分散均匀，获得AM/PEDOT：PSS(丙烯酰胺/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)混合溶液，PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)的加入量为1％-7％mL；
步骤(3)向步骤(2)中加入明胶、SBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)以及过硫酸铵(APS)，其中明胶质量浓度为2％-8％，SBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)质量浓度为3％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)的质量浓度为0.089％，过硫酸铵(APS)的质量浓度为0.03％，然后在60℃条件下搅拌，转速为400r/min，使试剂完全溶解，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液；
步骤(4)将步骤(3)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]混合溶液转移至模具中，并在60℃条件下热处理7h，热处理结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶；
步骤(5)将步骤(4)获得的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶至于4℃冰箱中1h，结束后取出，获得Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]导电聚合物水凝胶传感材料。
2.根据权利要求1所述一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料极其制备方法和应用，其特征在于：步骤(1)中丙烯酰胺单体质量浓度27％。
3.根据权利要求1所述一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料极其制备方法和应用，其特征在于：步骤(2)中PEDOT:PSS(聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠)的加入体积分数为1％-7％。
4.根据权利要求1所述一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料极其制备方法和应用，其特征在于：步骤(3)中明胶质量浓度为2％-8％，SBMA([2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)质量浓度3％，MBA(N,N’-亚甲基双丙烯酰胺)的质量浓度为0.089％，APS(过硫酸铵)的质量浓度为0.03％。
5.根据权利要求1所述一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料极其制备方法和应用，其特征在于：所述方法制备得到的高强韧和应变敏感的导电聚合物水凝胶材料。
6.根据权利要求5所述一种高伸长量和应变敏感的导电聚合物水凝胶传感材料极其制备方法和应用，其特征在于：是用绝缘胶带将导线连接的Gelatin/P(AM-SBMA)/PEDOT:PSS[明胶(Gel)/聚(丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵)[P(AM-SBMA)]/聚3,4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)]水凝胶传感材料固定于人体各个部位即可。
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