CN114719733B - 一种自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及智能材料技术领域，公开了一种自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器及其制备方法和应用，其制备方法包括如下步骤：将Laponite溶于焦磷酸钠溶液得到Laponite分散液；将海藻酸钠、钙盐、导电介质、丙烯酰胺、N,N‑亚甲基双丙烯酰胺、引发剂和催化剂加入到Laponite分散液中置于模具中聚合，得到复合导电水凝胶；剪切后，两端安装导线，得到所述的柔性水凝胶传感器。该水凝胶具有良好的拉伸性、柔性和自修复性，可循环使用；且具有非常优异的自粘附性能，可直接粘附于物体表面，用于粘附于人体、动物、机器人的表面，检测运动时的弯曲变形。

Description

一种自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及智能材料技术领域，具体涉及一种自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器及其制备方法和应用。
背景技术
近来，柔性可穿戴电子设备在电子皮肤、人工智能、软体机器人以及人体活动监测等方面存在着广泛的应用。众所周知，人体运动包括诸多弯曲变形，如跑步时手臂的摆动、膝盖的弯曲等，这一系列动作可用传感器来实时监测，并且同时也可以监测如脉搏跳动和喉结震动等生理特征。动物在运动时，也常包含弯曲变形，如蛇的前行，呈现S型的路径，且进行转弯时也是弯曲运动。更进一步的，机器人的运动，也需要辅佐传感检测，当机器人的手臂进行弯曲运动时，需要检测出此时的曲率和方向，保证能够准确到达目的地。传统的用来监测弯曲变形的光学办法，设备复杂，价格昂贵，且不具有便携性，不具有泛用性。因此，开发柔性可穿戴电子设备对于实现便利的弯曲变形实时监测有着重要意义。
锁志刚等(Sun,JY.,Zhao,X.,Illeperuma,W.et al.Highly stretchable andtough hydrogels.Nature 489,133–136(2012).)在2012年公开了以丙烯酰胺-海藻酸盐为体系的双网络结构的超拉伸水凝胶，这之后，双网络柔性可拉伸的水凝胶得到长足发展。而在这基础上，进一步所开发出来的水凝胶传感器由于其良好的拉伸性、透明性、柔性以及较高的灵敏度，符合柔性可穿戴电子设备的要求，且具有制备简单、成本低等优点，成为了新的研究热点。
如CN11320768A公开了一种水凝胶应变传感器的制备方法，将N-丙烯酰基甘氨酰胺单体、氯化锂完全溶解在去离子水中，然后加入光引发剂1173，充分搅拌后超声去除气泡得到水凝胶前驱液；将水凝胶前驱液倒入隔绝氧气的密闭模具中，并置于紫外箱内光照得到超分子离子水凝胶；将超分子离子水凝胶放置在氯化锂溶液中充分浸泡，浸泡时间为1-3天，去除水凝胶制备过程中带入的杂质；将充分浸泡后的水凝胶清洗干净，将表面干燥，裁剪成长条状结构，在两端安装导电铜电极组装成水凝胶应变传感器。整个制备过程安全可靠，工艺简单高效，材料性能优异且生物相容性良好，适合在人体皮肤外表使用，可广泛应用于柔性机器人、柔性电子皮肤、实时健康监测等领域。
然而，传统水凝胶传感器由于本身不具有粘附性，需要通过粘着剂粘附于物体表面，大多数粘着剂不具备重复使用性，并且在剥离之后有残留物。再者是在使用过程中，传统的水凝胶传感器在受到破坏之后无法再次使用，这也限制了水凝胶传感器的使用和发展。因此制备一种具有自粘附、可自修复的且同时可以重复使用的柔性导电水凝胶并将其应用于弯曲变形传感检测具有重大意义。
发明内容
本发明针对现有技术中的用来监测弯曲变形的光学方法设备复杂，而传统的水凝胶粘附性差，可重复性差的问题，提供一种柔性可拉伸、粘附性好，且具有自修复功能、可重复使用的水凝胶，具有优异的灵敏度，可粘附于人体、动物、机器人的表面，作为传感器检测运动时的弯曲变形。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Laponite溶于焦磷酸钠溶液中，搅拌分散得到Laponite分散液；
(2)将海藻酸钠、钙盐、导电介质、丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂和催化剂加入到步骤(1)的Laponite分散液中，搅拌得到混合溶液；
(3)将步骤(2)得到的混合溶液置于模具中聚合，得到复合导电水凝胶；
(4)将步骤(3)得到的复合导电水凝胶剪切后，两端安装导线，得到所述的柔性水凝胶传感器。
Laponite是一种人工合成锂藻土，结构与天然蒙脱石类似，为2:1层状硅酸盐结构，在镁氧八面体的两边各有一个共用氧原子的硅氧四面体，其中部分二价的镁原子被一价锂原子置换，使粒子表面带有永久负电荷，但容易团聚；
本发明中先将Laponite分散于焦磷酸钠溶液中，进行表面改性得到Laponite分散液；丙烯酰胺单体在交联剂和引发剂的作用下自由基聚合，海藻酸钠与钙离子络合形成物理交联；由于Laponite的静电相互作用和海藻酸钠表面的基团相互作用，使得水凝胶具有粘附性；而化学交联聚丙烯酰胺网络和物理交联海藻酸钙网络使水凝胶具有优异的力学性能，物理交联的网络使水凝胶具有部分自修复性能，同时Laponite表面丰富的电荷也同时可以作为一种物理交联剂，增加了网络的交联点，使水凝胶力学性能和粘附性以及自修复性能得到提升，由此得到自粘附、自修复的可拉伸导电水凝胶柔性传感器，有着优异的灵敏度，并且在弯曲变形的检测上具有实用性。
所述钙盐包括氯化钙和/或硫酸钙。所述导电介质包括氯化钠、氯化锂、氯化钾中任一种。所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰中任一种或多种。所述催化剂包括2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
优选地，所述钙盐为氯化钙，所述导电介质为氯化钠，所述引发剂为过硫酸铵。
步骤(1)中，所述Laponite与焦磷酸钠的质量比为10～20:1，搅拌温度为5～40℃，确保Laponite分散均匀。焦磷酸钠目的在于帮助Laponite有效分散。焦磷酸钠溶液中的溶剂为水；
步骤(2)中，步骤(2)搅拌得到混合溶液中，Laponite的质量含量为1～4wt％。本发明中采用Laponite是XLG凝胶级别，在质量浓度为4％以上时，在水中会迅速建立流变结构，从而形成高粘度的预凝胶，粘度很大，很难添加配方中的其他组分。特别是将海藻酸钠、钙盐、导电介质等其他组分加入分散液中后，原本分散液消除凝胶的作用被抵消了，此时分散液粘度变大，并且海藻酸钠溶液也是粘性溶液，Laponite分散液和海藻酸钠混合在一起后，溶液变得非常粘稠，当Laponite过高时(大于4wt％)溶液几乎没有办法混合，所以Laponite的量最好小于4wt％，并且也不能过小，否则达不到效果。
步骤(2)搅拌得到混合溶液为预聚液，预聚液中海藻酸钠的质量含量为1～3wt％；导电介质的质量含量为1～5wt％，丙烯酰胺含量为10～30wt％。
海藻酸的量不宜过多，溶于水后溶液粘稠，一般选择小于4％，优选含量为1～3％；导电介质的量太多会使得凝胶导电性太好，从而灵敏度较低，并且盐离子太多了，Laponite会团聚的厉害，聚合物链中的一些带电的官能团也会受到影响，最后影响到凝胶的状态。太少导电性相对较差。
丙烯酰胺的量决定了水凝胶的网络，一般水凝胶的固含量在10～30％，而海藻酸钠和丙烯酰胺的比例一般在1:10前后，这两者比例的不同导致性能的不同，海藻酸钠比较多，粘附性和自修复比较好，丙烯酰胺比较多，材料的力学性能比较好(模量高)。丙烯酰胺的量不宜太多，过多会导致模量太高，柔性变差，自修复性能变差，粘附性变差。
所述钙盐含量为海藻酸钠质量的0.15～0.25wt％。钙盐的量影响到海藻酸钠的交联速度和程度，含量不宜过多或过低，优选地，钙盐含量为海藻酸钠质量的0.2wt％。
所述N’N-亚甲基双丙烯酰胺的质量为丙烯酰胺质量的0.06～0.6wt％；所述引发剂的质量为丙烯酰胺质量的1～5wt％；所述催化剂的质量为丙烯酰胺质量的0.01～0.1wt％。
丙烯酰胺聚合原理：反应类型：自由基聚合，过硫酸铵在TEMED的作用下，催化产生自由基，N’N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂,使其形成聚丙烯酰胺共价网络。并且在聚丙烯酰胺的胺链和海藻酸钠的羧基之间形成共价键，从而形成稳定的凝胶。
用量的影响：N’N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂影响到聚丙烯酰胺的交联度，量越多交联度越高，网络越密，水凝胶的拉伸性会变差，模量会变高，越密集的网络也使得暴露出来海藻酸钠的官能团越少，粘附性变差，化学网络所占比例越高，同时也使得双网络结构的自修复变差，所以交联剂的量很影响材料的性能。引发剂过硫酸铵的量影响反应速度，越多反应越剧烈，催化剂量越多也是加速反应，导致聚合物链的长度变短，引发剂和催化剂都是会影响到水凝胶的力学性能。
步骤(3)中，聚合的时间为8～24h，聚合温度为10～40℃。温度和时间互相影响，温度比较高时，活性比较高，反应开始的快，自由基聚合时间比较短，温度比较低时，时间就长。
本发明还提供一种根据所述的制备方法得到的柔性水凝胶传感器。该水凝胶具有聚丙烯酰胺化学网络和海藻酸钙物理网络的双网络结构，使其拥有良好的拉伸性(500～3000％)、柔性(10kPa～300kPa)和自修复性(10％～98％)，并且可循环使用；同时由于Laponite的静电相互作用和海藻酸丰富的官能团，使其具有自粘附性能(2kPa～18kPa)，可直接粘附于物体表面，不需要粘结剂。
本发明还提供所述的柔性水凝胶传感器在弯曲变形监测中的应用，该柔性水凝胶传感器有着良好的灵敏度、快速的反应时间和宽的检测范围，可以粘附于人体、动物、机器人的表面，检测运动时的弯曲变形。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的柔性水凝胶具有聚丙烯酰胺化学网络和海藻酸钙物理网络的双网络结构，使其拥有良好的拉伸性(500～3000％)、柔性(10kPa～300kPa)和自修复性(10％～98％)，并且可循环使用。
(2)本发明柔性水凝胶由于Laponite的静电相互作用和海藻酸丰富的官能团，使其具有自粘附性能(2kPa～18kPa)，可直接粘附于物体表面，不需要粘结剂。
(3)本发明制备的柔性水凝胶有着良好的灵敏度、快速的反应时间和宽的检测范围，可以粘附于人体、动物、机器人的表面，用于检测运动时的弯曲变形。
(4)本发明制备柔性水凝胶的方法简单方便，成本低，利于工业化。
附图说明
图1是实施例1中水凝胶传感器的应力应变曲线。
图2是实施例2中水凝胶传感器的自粘附性能。
图3是实施例3中水凝胶传感器的宏观自修复的光学图片。
图4是实施例5中传感器检测人体不同部位的弯曲运动形变；其中a、b、c、d分别为手指的弯曲，手臂的弯曲，膝盖的弯曲和说话时喉部的振动。
图5是实施例6中高强度可拉伸应变传感器检测机器蛇的弯曲运动；a为蛇向左转的电子照片和传感信号，b为蛇向右转的电子照片和传感信号，c为蛇以s型扭动前进的电子照片和传感信号。
图6是实施例7中高强度可拉伸应变传感器检测机器人手臂的弯曲运动，a和b为机器人向左弯曲时的电子照片和不同角度的传感信号，c和d为机器人向右弯曲时的电子照片和不同角度的传感信号。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
以下具体实施方式中所采用的原料均为市场所购，未经处理直接使用，对实施例中得到的水凝胶，所用的片状模具由两个玻璃板中间夹一个硅胶方圈组成，硅胶方圈厚度为2mm，预聚液在中间空腔内聚合形成片状水凝胶，剪切成条状，两端安装导线后形成水凝胶传感器。
拉伸性能测试：将水凝胶裁成长20mm、宽5mm、高2mm的条状样条，使用1kN的万能材料试验机(Zwick/Roell)进行拉伸测试的测试，拉伸速度为100mm/min。
粘附性能测试：用裁成长15mm、宽15mm的水凝胶块将两块基板材料(如玻璃)粘在一起，万能材料试验机(Zwick/Roell)各夹住一块基板，以50mm的速度拉伸，直到拉开两块基板为止，得到水凝胶的粘附力。
自修复测试：将一块长30mm、宽10mm、高2mm的完整的水凝胶从中间切开，再将其切口连接在一起，置于不同温度下进行不同时间的自修复，修复完成的样品用万能材料试验机(Zwick/Roell)进行拉伸性能的测试。
传感性能测试：把水凝胶切成所需要的大小，在两端接上导线，使用电化学工作站(辰华CHI660E)进行在水凝胶发生形变时的电信号的测试。
实施例1
(1)配置3.63ml质量分数为0.0768wt％的焦磷酸钠水溶液，向焦磷酸钠水溶液中加入50mg纳米粘土Laponite，使用转速600rpm进行磁力搅拌30min，得到Laponite分散液；
(2)称取50mg海藻酸钠，0.1035mg的二水硫酸钙，250mg的氯化钠，1g丙烯酰胺单体，6mg交联剂N’N-亚甲基双丙烯酰胺，10mg引发剂过硫酸铵加入步骤(1)中的Laponite分散液中，最后加入1mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌至均一的溶液。
(3)将(2)中搅拌均匀的溶液转移至片状模具中，在室温下进行自由基聚合12h，得到片状柔性纳米复合水凝胶，切割成所需要的形状和大小进行拉伸性能的表征和测试。
所得水凝胶的应力应变曲线如图1所示，可见水凝胶的可拉伸性可达2000％以上，力学性能优异。
将制备的水凝胶用于粘附不同重量、不同材料的薄片，观察其自粘性，结果如图2所示，其中纸张、PS、PDMS、铝片、玻璃、铜箔的质量分别为0.93g、4.57g、8.85g、5.70g、10.08g、4.85g，从图中可见，不论是何种材料，重量从0.93至10g，水凝胶都能够与材料粘接良好，说明本发明的方法得到的水凝胶具有非常优异的自粘性。
实施例2
(1)配置4.24ml质量分数为0.0768wt％的焦磷酸钠水溶液，向焦磷酸钠水溶液中加入50mg纳米粘土Laponite，使用转速600rpm进行磁力搅拌30min，得到Laponite分散液；
(2)称取150mg海藻酸钠，0.3105mg的二水硫酸钙，50mg的氯化钠，0.5g丙烯酰胺单体，0.3mg交联剂N’N-亚甲基双丙烯酰胺，5mg引发剂过硫酸铵加入步骤(1)中的Laponite分散液中，最后加入0.5mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌至均一的溶液；
(3)将(2)中搅拌均匀的溶液转移至片状模具中，在室温下进行自由基聚合12h，得到片状柔性纳米复合水凝胶，切割成所需要的形状和大小进行拉伸性能的表征和测试。
实施例3
(1)配置3.89ml质量分数为0.1536wt％的焦磷酸钠水溶液，向焦磷酸钠水溶液中加入100mg纳米粘土Laponite，使用转速600rpm进行磁力搅拌30min，得到Laponite分散液。
(2)称取100mg海藻酸钠，0.207mg的二水硫酸钙，150mg的氯化钠，0.75g丙烯酰胺单体，2.25mg交联剂N’N-亚甲基双丙烯酰胺，7.5mg引发剂过硫酸铵加入步骤(1)中的Laponite分散液中，最后加入0.75mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌至均一的溶液。
(3)将(2)中搅拌均匀的溶液转移至片状模具中，在室温下进行自由基聚合8h，得到片状柔性纳米复合水凝胶，切割成所需要的形状和大小进行拉伸性能的表征和测试。
图3为本实施例制备的水凝胶的自修复性能的图片，将水凝胶切成两段后拼接在一起，在室温下放置修复1h，对其修复后的水凝胶进行拉伸，可以得到超过原来的两倍仍不断开，完全满足实际情况下水凝胶传感器的形变要求。
实施例4
(1)配置4.09ml质量分数为0.1536wt％的焦磷酸钠水溶液，向焦磷酸钠水溶液中加入100mg纳米粘土Laponite，使用转速600rpm进行磁力搅拌30min，得到Laponite分散液。
(2)称取50mg海藻酸钠，0.1035mg的二水硫酸钙，250mg的氯化钠，0.5g丙烯酰胺单体，0.3mg交联剂N’N-亚甲基双丙烯酰胺，5mg引发剂过硫酸铵加入步骤(1)中的Laponite分散液中，最后加入0.5mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌至均一的溶液。
(3)将(2)中搅拌均匀的溶液转移至片状模具中，在室温下进行自由基聚合8h，得到片状柔性纳米复合水凝胶，两端加上导线，得到可粘附的应变传感器。
实施例5
(1)配置4.04ml质量分数为0.2304wt％的焦磷酸钠水溶液，向焦磷酸钠水溶液中加入150mg纳米粘土Laponite，使用转速600rpm进行磁力搅拌30min，得到Laponite分散液。
(2)称取150mg海藻酸钠，0.3105mg的二水硫酸钙，150mg的氯化钠，0.5g丙烯酰胺单体，0.3mg交联剂N’N-亚甲基双丙烯酰胺，5mg引发剂过硫酸铵加入步骤(1)中的Laponite分散液中，最后加入0.5mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌至均一的溶液。
(3)将(2)中搅拌均匀的溶液转移至片状模具中，在室温下进行自由基聚合24h，得到片状柔性纳米复合水凝胶，将所得水凝胶切割成所需要的形状和大小，两端加上导线，得到可粘附的柔性水凝胶传感器。
图4为本实施例制备的水凝胶传感器分别贴附与人体的手指a、肘关节b、膝关节c和喉结处d，将导线与电化学工作站连接，如图4中a、b、c所示，当关节的运动幅度发生变化时，柔性传感器随之变化，发生的形变也产生了变化，从而通过电化学工作站测出来的相对电阻的变化量也产生变化，随着形变的增加，相对电阻的变化量增加，这一结果可以用来反应人体的运动，且具有比较好的循环稳定性。而图4的d则是表示人在说话时，喉部小幅度的振动也可以被水凝胶记录下来，证明水凝胶可以用于人体多种生理活动的监测。
实施例6
(1)配置3.79ml质量分数为0.2304wt％的焦磷酸钠水溶液，向焦磷酸钠水溶液中加入150mg纳米粘土Laponite，使用转速600rpm进行磁力搅拌30min，得到Laponite分散液。
(2)称取50mg海藻酸钠，0.1035mg的二水硫酸钙，250mg的氯化钠，0.75g丙烯酰胺单体，0.75mg交联剂N’N-亚甲基双丙烯酰胺，7.5mg引发剂过硫酸铵加入步骤(1)中的Laponite分散液中，最后加入0.75mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌至均一的溶液。
(3)将(2)中搅拌均匀的溶液转移至片状模具中，在室温下进行自由基聚合24h，得到片状柔性纳米复合水凝胶。
(4)将所得水凝胶切割成所需要的形状和大小，两端加上导线，得到可粘附的柔性应变传感器。
(5)将所得的柔性应变传感器直接粘附于机器蛇躯干上，在蛇进行运动时，通过电化学工作站可以记录下来蛇运动时的实时信号，结果如图5所示，其中图a显示当蛇左转时，水凝胶被拉伸，电阻值变大，相对电阻的变化量开始增大，随着蛇弯曲程度的增大，相对电阻的变化量继续增大；而当蛇右转时(如图5b)，水凝胶被挤压，电阻变小，相对电阻的变化量往反方向变化，也随着角度的增大而增大。当蛇以它所独特的S型轨迹直行时(如图5c)，由于蛇的左右摇摆，水凝胶产生相对应的拉伸或者压缩，从而相对电阻的变化量也呈现一种上下浮动的状态，与蛇的动作相对应。因此可以通过信号来反馈蛇的运动状态。
实施例7
(1)配置3.84ml质量分数为0.3072wt％的焦磷酸钠水溶液，向焦磷酸钠水溶液中加入200mg纳米粘土Laponite，使用转速600rpm进行磁力搅拌30min，得到Laponite分散液。
(2)称取150mg海藻酸钠，0.3105mg的二水硫酸钙，50mg的氯化钠，0.75g丙烯酰胺单体，2.25mg交联剂N’N-亚甲基双丙烯酰胺，7.5mg引发剂过硫酸铵加入步骤(1)中的Laponite分散液中，最后加入0.75mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌至均一的溶液。
(3)将(2)中搅拌均匀的溶液转移至片状模具中，在室温下进行自由基聚合12h，得到片状柔性纳米复合水凝胶。
(4)将所得水凝胶切割成所需要的形状和大小，两端加上导线，得到可粘附的柔性应变传感器。
(5)将所得的柔性应变传感器直接粘附于机器人手臂上，通过电化学工作站对信号记性记录。如图6所示，当机器人手臂如图6a所示向左弯曲时，水凝胶被拉伸，相对电阻的变化量增大(如图6b所示)，随着机器人手臂恢复初始状态，水凝胶的电阻也恢复到初始值，相对电阻的变化量为0，且循环几次，信号保持在一个相对稳定的状态。当机器人手臂弯曲的角度变大时，相对电阻的变化量的值也变大，保持与手臂相匹配的状态。而当机器人手臂如图c所示向右弯曲时，水凝胶被压缩，得到了如图d所示的结果，水凝胶传感器的相对电阻的变化量往反方向增大，这表示了弯曲方向的变化，体现出了机器人手臂的形态变化，也同样可以检测出角度大小的变化。
实施例8
(1)配置3.54ml质量分数为0.3072wt％的焦磷酸钠水溶液，向焦磷酸钠水溶液中加入200mg纳米粘土Laponite，使用转速600rpm进行磁力搅拌30min，得到Laponite分散液。
(2)称取100mg海藻酸钠，0.207mg的二水硫酸钙，150mg的氯化钠，1g丙烯酰胺单体，2mg交联剂N’N-亚甲基双丙烯酰胺，10mg引发剂过硫酸铵加入步骤(1)中的Laponite分散液中，最后加入0.1mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌至均一的溶液。
(3)将(2)中搅拌均匀的溶液转移至片状模具中，在室温下进行自由基聚合24h，得到片状柔性纳米复合水凝胶。
(4)将所得水凝胶切割成所需要的形状和大小，两端加上导线，得到可粘附的柔性应变传感器。
(5)将所得的柔性应变传感器直接同时粘附于机器人手臂的四个关节上，在手臂进行弯曲运动时，可以实时测得四个关节的信号，结合四个信号，可以分辨出手臂的弯曲方向和弯曲角度，得到此时机器手臂的形态。
实施例1-8中对结果有较大影响的参数汇总于表1，得到的水凝胶传感器的各项性能测试结果如表2所示。
表1实施例1-8中原料添加质量汇总表
Figure BDA0002851517260000121
Figure BDA0002851517260000131
表2实施例1-8制备的水凝胶传感器的性能
实施例 自粘性能 拉伸性能 柔性 自修复性能
1 2kPa 580％ 295kPa 10％
2 15kPa 2690％ 20kPa 95％
3 6kPa 1550％ 169kPa 35％
4 14kPa 2850％ 12kPa 92％
5 18kPa 3000％ 15kPa 98％
6 12kPa 2170％ 126kPa 67％
7 9kPa 1480％ 187kPa 48％
8 11kPa 1200％ 257kPa 59％
各原料之间相互作用、相互影响，其中Laponite和海藻酸钠对水凝胶传感器的拉伸性能、柔性影响较小，对粘附性能和自修复性能影响较大；而丙烯酰胺和N’N-亚甲基双丙烯酰胺的量对水凝胶传感器的影响拉伸性能、柔性影响较大，对粘附性能和自修复性能影响较小。在制备过程中需要综合各项原料的合理比例，最终获得具有聚丙烯酰胺化学网络和海藻酸钙物理网络的双网络结构的水凝胶，使其拥有良好的拉伸性(500～3000％)、柔性(10kPa～300kPa)和自修复性(10％～98％)，并且可循环使用。且由于Laponite的静电相互作用和海藻酸丰富的官能团，使其具有自粘附性能(2kPa～18kPa)，可直接粘附于物体表面，不需要粘结剂。

Claims (7)

1.一种自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将Laponite溶于焦磷酸钠溶液中，搅拌分散得到Laponite分散液；
(2)将海藻酸钠、钙盐、导电介质、丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂和催化剂加入到步骤(1)的Laponite分散液中，搅拌得到混合溶液；
(3)将步骤(2)得到的混合溶液置于模具中聚合，得到复合导电水凝胶；
(4)将步骤(3)得到的复合导电水凝胶剪切后，两端安装导线，得到所述的柔性水凝胶传感器；
步骤(2)搅拌得到混合溶液中，Laponite的质量含量为1～4wt％；海藻酸钠的质量含量为1～3wt％，导电介质的质量含量为1～5wt％，丙烯酰胺含量为10～30wt％；
所述钙盐含量为海藻酸钠质量的0.15～0.25wt％。
2.根据权利要求1所述的自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述钙盐包括氯化钙和/或硫酸钙；所述导电介质包括氯化钠、氯化锂、氯化钾中任一种；所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰中任一种或多种；所述催化剂包括2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
3.根据权利要求1所述的自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述Laponite与焦磷酸钠的质量比为10～20:1，搅拌温度为5～40℃。
4.根据权利要求1所述的自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量为丙烯酰胺质量的0.06～0.6wt％；所述引发剂的质量为丙烯酰胺质量的1～5wt％；所述催化剂的质量为丙烯酰胺质量的0.01～0.1wt％。
5.根据权利要求1所述的自粘附、自修复的柔性水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，聚合的时间为8～24h，聚合温度为5～40℃。
6.一种根据权利要求1～5任一项所述的制备方法得到的柔性水凝胶传感器。
7.根据权利要求6所述的柔性水凝胶传感器在弯曲变形监测中的应用。
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