CN115028861A - 一种高导电双网络水凝胶及其制备方法和柔性传感应用 - Google Patents
一种高导电双网络水凝胶及其制备方法和柔性传感应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及传感材料技术领域，具体涉及一种高导电双网络水凝胶及其制备方法和柔性传感应用。本发明通过在双网络水凝胶结构中再引入聚苯胺网络显著的提升了水凝胶的导电性能，由于存在离子和电子两种导电机制，避免了单一导电机制存在的问题，提高了水凝胶的灵敏度；进一步本发明利用氯化钠对海藻酸钠的盐析作用使其成为半刚性的高分子链并自缔合形成海藻酸钠纳米纤维，使得即使在八水合氧氯化锆溶液中也不会发生卷曲，并与溶液中的Zr4+形成金属配位键显著提高水凝胶的力学强度。利用本发明的水凝胶制备的柔性可穿戴设备作为与人体接触的检测设备，具有拉伸性能好，柔韧性强，导电性能好等优点，能够实时监测人体运动并且不会影响人体关节或其他人体运动的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及传感材料技术领域，具体涉及一种高导电双网络水凝胶及其制备方法和柔性传感应用。
背景技术
随着可穿戴设备，软机器人，人机交互等领域的逐渐兴起，传感器也迎来了新的发展。早期传统的传感器以刚性的半导体材料，陶瓷材料作为传感元件，因此其不具有柔韧性，在众多领域的应用受到了限制。所以亟需开发出具有良好柔韧性的柔性传感器来满足社会的需要。
传感材料是传感器技术的重要基础，也是传感器技术升级的重要支撑。随着材料科学的进步，柔性传感材料得到了快速发展，以其为基础可以制备出热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等不同种类的柔性传感器。其中柔性应变传感器在电子皮肤、人体运动行为监测系统等领域具有广阔的应用前景，已经成为未来发展的重点研究方向。
水凝胶是一种由交联聚合物网络和水组成的三维网状结构材料。因其柔顺的聚合物网络和极高的含水量赋予水凝胶优异的柔韧性和生物相容性，且能对多种外部刺激，如温度、湿度、光强和磁场等，做出快速准确的响应。水凝胶将液体和固体的优点结合在一起，是制备柔性传感器最理想的传感材料之一。在实际应用过程中，水凝胶存在力学强度不高的缺陷，为了克服这种缺陷，专利CN109503757A公开了一种新型双网络水凝胶，利用海藻酸钠与一价阳离子构建海藻酸钠超分子氢键可逆网络，然后与聚丙烯酰胺交联网络复合，实现水凝胶的增强，但是该双网络水凝胶主要依靠一价阳离子提升水凝胶导电性，其导电性不能满足实际的应用要求，尤其是不能满足高灵敏度传感的应用场景。因此，如何制备获得同时具备优异的力学性能和导电性能的水凝胶，作为柔性传感器材料，成为了目前需要解决的技术问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种高导电双网络水凝胶的制备方法，制备的水凝胶拉伸性能好，柔韧性强，导电性能好。
本发明的目的之二在于提供基于本发明制备方法制备的水凝胶。
同时，本发明还在于提供基于本发明制备方法制备的水凝胶在制作传感器方面的应用，所制作的传感器能够作为穿戴设备的传感元件。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高导电双网络水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)制备双网络水凝胶作为原始双网络水凝胶；
2)将苯胺加入盐酸溶液中，制得盐酸/苯胺溶液；将过硫酸铵加入盐酸溶液中，制得盐酸/过硫酸铵溶液；
3)取步骤1)制备的双网络水凝胶裁切后，浸泡在盐酸/苯胺溶液中；取出浸泡后的水凝胶再浸泡在盐酸/过硫酸铵溶液中；取出浸泡后的长条状水凝胶再浸泡在八水合氧氯化锆溶液中，即完成。
可选的，步骤3)中取步骤1)制备的双网络水凝胶裁切成1mm×3mm的长条状。
可选的，步骤1)中双网络水凝胶的制备方法包括将海藻酸钠加入氯化钠水溶液中，搅拌溶解混合均匀后，依次加入丙烯酰胺单体、引发剂、交联剂，冰浴搅拌，脱气，交联，制得原始双网络水凝胶。
可选的，氯化钠水溶液浓度为2～3wt％；进一步优选，氯化钠水溶液浓度为3wt％。在优选的氯化钠水溶液浓度作用下，一方面保持海藻酸钠的分子结构稳定性，避免出现沉淀，另一方方面在盐析作用下成为线性半刚性高分子并自缔结形成海藻酸钠纳米纤维，增强水凝胶的力学强度，同时避免在后续提升导电性能和力学性能浸泡过程中出现卷曲现象。
可选的，海藻酸钠与氯化钠水溶液的质量体积用量比(g/ml)为(0.05～0.2)：10；进一步优选，海藻酸钠与氯化钠水溶液的质量体积用量比为0.1：10。
可选的，丙烯酰胺单体与海藻酸钠的质量用量比为(10～48)：1；引发剂为过硫酸铵，丙烯酰胺与过硫酸铵的质量用量比为(80～120)：1；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量用量比为(1200～2400)：1；搅拌温度为0～3℃，搅拌速度为50～150rpm，加入丙烯酰胺单体搅拌混合的时间为30～60min，加入引发剂的搅拌混合时间为2.5～3.5h，加入交联剂搅拌混合的时间为10～20min；脱气时间为10～20min，交联时间为1～2h；
进一步优选的，丙烯酰胺单体与海藻酸钠的质量用量比为24：1；引发剂为过硫酸铵，丙烯酰胺与过硫酸铵的的质量用量比为120：1；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量用量比为1600：1；搅拌温度为0℃，搅拌速度为120rpm，加入丙烯酰胺单体搅拌混合的时间为40min，加入引发剂的搅拌混合时间为3h，加入交联剂搅拌混合的时间为15min；脱气时间为12min，交联时间为1h。
可选的，步骤2)中盐酸水溶液的摩尔浓度为0.9～1.5mol/L；盐酸/苯胺溶液中苯胺(分析纯)与盐酸水溶液的体积比为(0.9～1.1)：20；盐酸/过硫酸铵溶液中过硫酸铵与盐酸水溶液的质量体积比为(0.9～1.4)：20；过硫酸铵与苯胺的物质的量之比0.4～0.6：1；
进一步优选的，步骤2)中盐酸水溶液的摩尔浓度为1.2mol/L；盐酸/苯胺溶液中苯胺与盐酸水溶液的质量体积比为1.0：20；盐酸/过硫酸铵溶液中过硫酸铵与盐酸水溶液的质量体积比为1.1：20；过硫酸铵与苯胺的物质的量之比0.5：1。
可选的，步骤3)中将长条状水凝胶在0～3℃条件下，在盐酸/苯胺溶液中浸泡2～3h，在盐酸/过硫酸铵溶液中浸泡5～7h；进一步优选的，每8个长条状水凝胶浸泡在装有20ml盐酸/苯胺溶液或盐酸/过硫酸铵溶液直径为8.5cm的培养皿中，0℃条件下分别浸泡3h，6h；
步骤3)中八水合氧氯化锆溶液的摩尔浓度为0.05～0.5mol/L，浸泡时间为6～12h；进一步优选的，八水合氧氯化锆溶液的摩尔浓度为0.1mol/L，浸泡时间为12h。
本发明优选盐酸溶液浓度，及其与浸泡溶液配比，使有效发生苯胺的原位聚合，形成聚苯胺网络，减少聚苯胺氧化现象的发生，提升水凝胶导电性。
一种高导电双网络水凝胶，由上述制备方法制备而成。
上述高导电双网络水凝胶的应用，应用于制作传感器；进一步所制作的传感器应用于作为可穿戴设备传感元件。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明通过在双网络水凝胶结构中再引入聚苯胺网络显著的提升了水凝胶的导电性能，由于存在离子和电子两种导电机制，避免了单一导电机制存在的问题，提高了水凝胶的灵敏度。
对于具备固有柔性链的聚电解质，其带电骨架在纯水中延伸，但在离子溶液中变为卷曲构象，甚至在多价离子溶液中析出。为避免这一问题的出现，本发明利用氯化钠对海藻酸钠的盐析作用使其成为半刚性的高分子链并自缔合形成海藻酸钠纳米纤维，使得即使在八水合氧氯化锆溶液中也不会发生卷曲，并与溶液中的Zr4+形成金属配位键显著提高水凝胶的力学强度；同时，本发明通过将双网络水凝胶裁切后以浸泡的方式原位聚合形成聚苯胺网络，显著提高水凝胶的导电性与灵敏度。
利用本发明的水凝胶制备的柔性可穿戴设备作为与人体接触的检测设备，具有拉伸性能好，柔韧性强，导电性能好等优点，能够实时的监测人体运动并且不会影响人体关节或其他人体运动的灵活性。
本发明制备方法简单、成本低，基于其制备出的应变型传感器具有高灵敏度、宽应变范围、快速反应时间及高可靠性，可成功应用于人体关节活动的监测，展示了该传感器在可穿戴电子设备领域应用的良好应用价值。
附图说明
图1是实施例1制备高导电双网络水凝胶的扫描电镜图；
图2是实施例1制备的高导电双网络水凝胶的超井深图片；
图3是实施例1制备出的高导电双网络水凝胶的拉伸强度—应变曲线；
图4是实施例2制备出的高导电双网络水凝胶的拉伸强度—应变曲线；
图5是实施例3制备出的高导电双网络水凝胶的拉伸强度—应变曲线；
图6是实施例4制备出的高导电双网络水凝胶的拉伸强度—应变曲线；
图7是实施例5制备出的高导电双网络水凝胶的拉伸强度—应变曲线；
图8是实施例1步骤S2制备出的原始双网络水凝胶的拉伸强度—应变曲线；
图9是实施例1步骤S2制备出的原始双网络水凝胶的不同应变下的灵敏度；
图10是实施例1制备出的高导电双网络水凝胶的不同应变下的灵敏度；
图11是实施例5制备出的高导电双网络水凝胶检测手指运动的信号曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种高导电双网络水凝胶，其制备方法的具体操作步骤为：
S1.将0.2g海藻酸钠加入到10mL氯化钠溶液(3wt％)，在50℃水浴中，120rpm搅拌4h，然后静置过夜；
S2.在步骤S1的溶液中加入2.0g丙烯酰胺，在冰浴中，120rpm，搅拌40min；然后加入20mg过硫酸铵，在冰浴中，120rpm搅拌3h；再加入1mg的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，冰浴120rpm搅拌15min，；最后脱气处理12min，75℃下交联1h，制得原始双网络水凝胶；
S3.将4mL的浓盐酸(分析纯)滴加到40mL去离子水中，200rpm搅拌10min，制备得到浓度为1.2mol/L的盐酸溶液；将1mL苯胺(分析纯)溶液滴加到20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌30min，得到盐酸/苯胺溶液；将1.37g过硫酸铵溶解于20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌5min，得到盐酸/过硫酸铵溶液；
S4.将制备的原始双网络水凝胶裁切为长条状(1mm×3mm)，浸泡在S3配置的盐酸/苯胺溶液中；
S5.将S4浸泡好的水凝胶取出浸泡在S3配置的盐酸/过硫酸铵溶液中；
S6.将0.64g八水合氧氯化锆溶解于20ml去离子水，室温200rpm搅拌5min，得到0.1mol/L的八水合氧氯化锆溶液；将步骤S5浸泡好的水凝胶取出浸泡在八水合氧氯化锆溶液中6h制备出高导电双网络水凝胶，如图1所示为其扫描电镜图，图2为其超井深图片。
实施例2
本实施例提供一种高导电双网络水凝胶，其制备方法的具体操作步骤为：
S1.将0.1g海藻酸钠加到10mL氯化钠溶液(2wt％)，在50℃水浴中120rpm搅拌4h，然后静置过夜；
S2.在步骤S1的溶液中加入2.0g丙烯酰胺，在冰浴中，120rpm搅拌40min；然后加入20mg过硫酸铵，在冰浴中，120rpm搅拌3h；再加入1mg的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，冰浴120rpm搅拌15min，；最后脱气处理12min，75℃下交联1h，制得原始双网络水凝胶；
S3.将4mL的浓盐酸(分析纯)滴加到40mL去离子水中，200rpm搅拌10min，制备得到浓度为1.2mol/L的盐酸溶液；将1mL苯胺(分析纯)溶液滴加到20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌30min，得到盐酸/苯胺溶液；将1.37g过硫酸铵溶解于20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌5min，得到盐酸/过硫酸铵溶液；
S4.将制备的原始双网络水凝胶裁切为长条状(1mm×3mm)，浸泡在S3配置的盐酸/苯胺溶液中；
S5.将S4浸泡好的水凝胶取出浸泡在S3配置的盐酸/过硫酸铵溶液中；
S6.将0.64g八水合氧氯化锆溶解于20ml去离子水，室温200rpm搅拌5min，得到0.1mol/L的八水合氧氯化锆溶液；将步骤S5浸泡好的水凝胶取出浸泡在八水合氧氯化锆溶液中12h制备出高导电双网络水凝胶。
实施例3
本实施例提供一种高导电双网络水凝胶，其制备方法的具体操作步骤为：
S1.将0.05g海藻酸钠加到10mL氯化钠溶液(3wt％)，在50℃水浴中120rpm搅拌4h，然后静置过夜；
S2.在步骤S1的溶液中加入2.4g丙烯酰胺，在冰浴中，120rpm，搅拌40min；然后加入20mg过硫酸铵，在冰浴中，120rpm搅拌3h；再加入1mg的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，冰浴120rpm搅拌15min，；最后脱气处理12min，75℃下交联1h，制得原始双网络水凝胶；
S3.将4mL的浓盐酸(分析纯)滴加到40mL去离子水中，200rpm搅拌10min，制备得到浓度为1.2mol/L的盐酸溶液；将1mL苯胺(分析纯)溶液滴加到20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌30min，得到盐酸/苯胺溶液；将0.91g过硫酸铵溶解于20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌5min，得到盐酸/过硫酸铵溶液；
S4.将制备的原始双网络水凝胶裁切为长条状(1mm×3mm)，浸泡在S3配置的盐酸/苯胺溶液中；
S5.将S4浸泡好的水凝胶取出浸泡在S3配置的盐酸/过硫酸铵溶液中；
S6.将0.64g八水合氧氯化锆溶解于20ml去离子水，室温200rpm搅拌5min，得到0.1mol/L的八水合氧氯化锆溶液；将步骤S5浸泡好的水凝胶取出浸泡在八水合氧氯化锆溶液中12h制备出高导电双网络水凝胶。
实施例4
本实施例提供一种高导电双网络水凝胶，其制备方法的具体操作步骤为：
S1.将0.1g海藻酸钠加入到10mL氯化钠溶液(3wt％)，浓液，然后静置过夜；
S2.在步骤S1的溶液中加入2.4g丙烯酰胺，在冰浴中，120rpm搅拌40min；然后加入25mg过硫酸铵，在冰浴中，120rpm搅拌3h；再加入1mg的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，冰浴120rpm搅拌15min；最后脱气处理12min，75℃下交联1h，制得原始双网络水凝胶；
S3.将4mL的浓盐酸(分析纯)滴加到40mL去离子水中，200rpm搅拌10min，制备得到浓度为1.2mol/L的盐酸溶液；将1mL苯胺(分析纯)溶液滴加到20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌30min，得到盐酸/苯胺溶液；将0.91g过硫酸铵溶解于20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌5min，得到盐酸/过硫酸铵溶液；
S4.将制备的原始双网络水凝胶裁切为长条状(1mm×3mm)，浸泡在S3配置的盐酸/苯胺溶液中；
S5.将S4浸泡好的水凝胶取出浸泡在S3配置的盐酸/过硫酸铵溶液中；
S6.将0.32g八水合氧氯化锆溶解于20ml去离子水，室温200rpm搅拌5min，得到0.05mol/L的八水合氧氯化锆溶液；将步骤S5浸泡好的水凝胶取出浸泡在八水合氧氯化锆溶液中12h制备出高导电双网络水凝胶。
实施例5
本实施例提供一种高导电双网络水凝胶，其制备方法的具体操作步骤为：
S1.将0.1g海藻酸钠加入到10mL氯化钠溶液(3wt％)，在50℃水浴中，120rpm搅拌4h，然后静置过夜；
S2.在步骤S1的溶液中加入2.4g丙烯酰胺，在冰浴中，120rpm搅拌40min；然后加入20mg过硫酸铵，在冰浴中，120rpm搅拌3h；再加入2mg的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，冰浴120rpm搅拌15min；最后脱气处理12min，75℃下交联1h，制得原始双网络水凝胶；
S3.将4mL的浓盐酸(分析纯)滴加到40mL去离子水中，200rpm搅拌10min，制备得到浓度为1.2mol/L的盐酸溶液；将1mL苯胺(分析纯)溶液滴加到20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌30min，得到盐酸/苯胺溶液；将1.14g过硫酸铵溶解于20mL盐酸溶液中，200rpm搅拌5min，得到盐酸/过硫酸铵溶液；
S4.将制备的原始双网络水凝胶裁切为长条状(1mm×3mm)，浸泡在S3配置的盐酸/苯胺溶液中；
S5.将S4浸泡好的水凝胶取出浸泡在S3配置的盐酸/过硫酸铵溶液中；
S6.将3.22g八水合氧氯化锆溶解于20ml去离子水，室温200rpm搅拌5min，得到0.05mol/L的八水合氧氯化锆溶液；将步骤S5浸泡好的水凝胶取出浸泡在八水合氧氯化锆溶液中12h制备出高导电双网络水凝胶。
试验例
试验方法：
(1)力学性能：
1、实验方法
分别将实施例1～5制备的高导电双网络水凝胶、实施例1步骤S2制备的原始双网络水凝胶夹持在万能试验机上，以位移控制方式拉伸样品，拉伸速率为20mm/mim，得到不同凝胶材料的拉伸强度-应变曲线。
2、试验结果：
如图3～图7，分别为实施例1、2、3、4和5制备的高导电双网络水凝胶，图8为实施例1步骤S2制备的原始双网络水凝胶。结果表明可以通过改变海藻酸钠含量以及八水合氧氯化锆溶液的浓度来调节水凝胶材料的力学性能，满足可穿戴型传感器的要求；
(2)传感性能：
1、实验方法
制作模拟传感器：将试验水凝胶作为导电层，用VHB胶带在其上下表面封装得到“三明治”结构的应变传感器。
按照上述模拟传感器制作方法分别使用实施例1～5制备的高导电双网络水凝胶、实施例6制备的原始双网络水凝胶制作应变传感器；
采用万能试验机将不同水凝胶材料拉升至不同应变，并利用BK PRECISION表记录其实时电阻，其电阻值与应变值具有对应关系。将使用不同水凝胶材料制作的应变传感器分别固定在人体肘关节、膝关节等部位，与信号收集器连接后可以实时检测人体运动
如图9所示为实施例1步骤S2制备的原始双网络水凝胶材料在不同应变下的灵敏度，图10所示为实施例1制备的高导电双网络水凝胶材料在不同应变下的灵敏度。如图11所示为实施例5制备的高导电双网络水凝胶制作应变传感器检测手指运动得到的信号曲线，表明本发明提供的高导电双网络水凝胶制备的应变型传感器具有高灵敏度、宽应变范围、快速反应时间及高可靠性；
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高导电双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备双网络水凝胶作为原始双网络水凝胶；
2)将苯胺加入盐酸溶液中，制得盐酸/苯胺溶液；将过硫酸铵加入盐酸溶液中，制得盐酸/过硫酸铵溶液；
3)取步骤1)制备的双网络水凝胶裁切后，浸泡在盐酸/苯胺溶液中；取出浸泡后的水凝胶再浸泡在盐酸/过硫酸铵溶液中；取出浸泡后的长条状水凝胶再浸泡在八水合氧氯化锆溶液中，即完成。
2.如权利要求1所述的高导电双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3)中取步骤1)制备的双网络水凝胶裁切成1mm×3mm的长条状。
3.如权利要求1或2所述的高导电双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1)中双网络水凝胶的制备方法包括将海藻酸钠加入氯化钠水溶液中，搅拌溶解混合均匀后，依次加入丙烯酰胺单体、引发剂、交联剂，冰浴搅拌，脱气，交联，制得原始双网络水凝胶。
4.如权利要求3所述的高导电双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，氯化钠水溶液浓度为2～3wt％；进一步优选，氯化钠水溶液浓度为3wt％。
5.如权利要求4所述的高导电双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，海藻酸钠与氯化钠水溶液的质量体积用量比为(0.05～0.2)：10；进一步优选，海藻酸钠与氯化钠水溶液的质量体积用量比为0.1：10。
6.如权利要求5所述的高导电双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，丙烯酰胺单体与海藻酸钠的质量用量比为(10～48)：1；引发剂为过硫酸铵，丙烯酰胺与过硫酸铵的质量用量比为(80～120)：1；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量用量比为(1200～2400)：1；搅拌温度为0～3℃，搅拌速度为50～150rpm，加入丙烯酰胺单体搅拌混合的时间为30～60min，加入引发剂的搅拌混合时间为2.5～3.5h，加入交联剂搅拌混合的时间为10～20min；脱气时间为10～20min，交联时间为1～2h；
进一步优选的，丙烯酰胺单体与海藻酸钠的质量用量比为24：1；引发剂为过硫酸铵，丙烯酰胺与过硫酸铵的质量用量比为120：1；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量用量比为1600：1；搅拌温度为0℃，搅拌速度为120rpm，加入丙烯酰胺单体搅拌混合的时间为40min，加入引发剂的搅拌混合时间为3h，加入交联剂搅拌混合的时间为15min；脱气时间为12min，交联时间为1h。
7.如权利要求1、4～6任一项所述的高导电双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2)中盐酸水溶液的摩尔浓度为0.9～1.5mol/L；盐酸/苯胺溶液中苯胺与盐酸水溶液的体积比为(0.9～1.1)：20；盐酸/过硫酸铵溶液中过硫酸铵与盐酸水溶液的质量体积比为(0.9～1.4)：20；过硫酸铵与苯胺的物质的量之比0.4～0.6：1；
进一步优选的，步骤2)中盐酸水溶液的摩尔浓度为1.2mol/L；盐酸/苯胺溶液中苯胺与盐酸水溶液的质量体积比为1.0：20；盐酸/过硫酸铵溶液中盐酸与过硫酸铵水溶液的质量体积比为1.1：20；过硫酸铵与苯胺的物质的量之比0.5：1。
8.如权利要求7所述的高导电双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3)中将长条状水凝胶在0～3℃条件下，在盐酸/苯胺溶液中浸泡2～3h，在盐酸/过硫酸铵溶液中浸泡5～7h；进一步优选的，每8个长条状水凝胶浸泡在装有20ml盐酸/苯胺溶液或盐酸/过硫酸铵溶液直径为8.5cm的培养皿中，0℃条件下分别浸泡3h，6h；
步骤3)中八水合氧氯化锆溶液的摩尔浓度为0.05～0.5mol/L，浸泡时间为6～12h；进一步优选的，八水合氧氯化锆溶液的摩尔浓度为0.1mol/L，浸泡时间为12h。
9.一种高导电双网络水凝胶，其特征在于，由如权利要求1～8所述的制备方法制备而成。
10.一种如权利要求9所述的高导电双网络水凝胶的应用，其特征在于，应用于制作传感器；进一步所制作的传感器应用于作为可穿戴设备传感元件。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115612296A (zh) * | 2022-11-09 | 2023-01-17 | 德州学院 | 一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109134762A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-01-04 | 长春工业大学 | 一种高强度，抗冻，可导电的壳聚糖/丙烯酰胺双网络水凝胶及其制备方法 |
| CN109503757A (zh) * | 2018-02-06 | 2019-03-22 | 青岛大学 | 新型双网络水凝胶的制备及得到的双网络水凝胶与应用 |
| CN109942747A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-06-28 | 福州大学 | 一种柔性导电水凝胶及其制备方法 |
| CN113429587A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-24 | 中国科学技术大学 | 水凝胶传感材料的制备方法和水凝胶传感器 |
| CN113943425A (zh) * | 2021-08-04 | 2022-01-18 | 中山大学 | 一种双网络有机凝胶及其制备方法和应用 |
| CN114519374A (zh) * | 2022-02-15 | 2022-05-20 | 浙江工业大学 | 一种基于柔性传感器的手写字母信号识别系统和方法 |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109503757A (zh) * | 2018-02-06 | 2019-03-22 | 青岛大学 | 新型双网络水凝胶的制备及得到的双网络水凝胶与应用 |
| CN109134762A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-01-04 | 长春工业大学 | 一种高强度，抗冻，可导电的壳聚糖/丙烯酰胺双网络水凝胶及其制备方法 |
| CN109942747A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-06-28 | 福州大学 | 一种柔性导电水凝胶及其制备方法 |
| CN113429587A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-24 | 中国科学技术大学 | 水凝胶传感材料的制备方法和水凝胶传感器 |
| CN113943425A (zh) * | 2021-08-04 | 2022-01-18 | 中山大学 | 一种双网络有机凝胶及其制备方法和应用 |
| CN114519374A (zh) * | 2022-02-15 | 2022-05-20 | 浙江工业大学 | 一种基于柔性传感器的手写字母信号识别系统和方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115612296A (zh) * | 2022-11-09 | 2023-01-17 | 德州学院 | 一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法 |
| CN115612296B (zh) * | 2022-11-09 | 2024-01-30 | 德州学院 | 一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法 |
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