CN117624477A - 自凝防冻水凝胶的制备方法及其在滑雪运动监测中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明的自凝防冻水凝胶的制备方法及其在滑雪运动监测中的应用属于可穿戴传感器件技术领域，将单宁酸、丙烯酸、硫酸铝、交联剂和引发剂加入到海藻酸钠溶液中，得到混合溶液；将TA‑Ag水溶液与上述混合溶液混合，并加入甘油，将得到的带有纳米粒子的前驱体溶液装入聚四氟乙烯的模具中并用保鲜膜密封，TA‑Ag纳米颗粒诱发自由基聚合反应，得到自凝防冻水凝胶，用于制备柔性可穿戴的滑雪运动传感装置的传感模块。本发明制备方法简单易行，原料价格低廉，信号响应灵敏，便于实时记录运动状态数据观。实现了在寒冷条件下对滑雪运动者的运动监测，对滑雪训练、教学起到有效的辅助作用。
Description
技术领域
本发明属于可穿戴传感器件技术领域，具体涉及一种具有高粘附性和高导电性的自凝防冻水凝胶的制备方法及其在可穿戴滑雪运动传感装置方面的应用。
背景技术
滑雪运动项目由于趣味性以及对身体的全方位锻炼受到广泛关注。然而，由于滑雪项目具有危险性，滑雪者常因为不标准的滑雪姿势造成关节扭伤、肌肉拉伤及骨折等不同程度的身体损伤。因此，鉴于滑雪运动的高危性以及专业性，在低温环境下有效分析并客观反馈滑雪运动者的运动状态尤为重要。水凝胶作为柔性电子器件的一部分已经被研究应用于储能、生物医药、人机界面交互及传感等领域。其中，水凝胶因其三维网状结构，良好的柔性和可拉伸性在运动传感方面展现出可期的应用前景。然而，传统的水凝胶基运动传感器具有较低的黏附能力和导电性。尤其是水凝胶较低的抗寒能力使其在低温运动传感领域具有局限性。因此，开发一种能够在低温条件下工作的具有高粘附性和高导电性的水凝胶制备方法并用于滑雪运动传感，对于准确分析滑雪运动过程、规避身体损伤风险和辅助滑雪训练具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种具有高粘附性和导电性的自凝防冻水凝胶的制备方法，自凝防冻水凝胶基可穿戴传感设备用于检测人体运动并输出稳定信号。该方法成本低廉，工艺简单，高效，适合大规模生产制备。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种自凝防冻水凝胶的制备方法，有以下步骤：
(1)将单宁酸、丙烯酸、硫酸铝、交联剂和引发剂按照40：3000：360：5：46的质量比加入到浓度为0.01g/mL的海藻酸钠溶液中，得到混合溶液；
(2)将单宁酸与银螯合制备单宁酸-银纳米颗粒，记为TA-Ag纳米颗粒；将TA-Ag纳米颗粒溶于去离子水中配制成0.015g/mL的TA-Ag水溶液，将TA-Ag水溶液与步骤(1)中混合溶液按体积比105：5000混合，再将得到的混合溶液与甘油按体积比2：1混合，得到带有纳米粒子的前驱体溶液；
(3)将步骤(2)中的前驱体溶液装入聚四氟乙烯的模具中并将模具用保鲜膜密封；室温下，TA-Ag纳米颗粒诱发自由基聚合反应，得到自凝防冻水凝胶，记为TSTA水凝胶。
其中，步骤(2)所述将单宁酸与银螯合制备单宁酸-银纳米颗粒具体步骤如下：
S21、将单宁酸和硝酸银分别溶解在去离子水中，浓度均为2mg/mL；
S22、将单宁酸与硝酸银溶液按体积比1：1进行混合并超声处理30分钟；
S23、将混合溶液以8000转/分钟离心12分钟得到TA-Ag纳米颗粒。
一种自凝防冻水凝胶的应用，是用于制备柔性可穿戴的滑雪运动传感装置的传感模块，具体步骤为：将TSTA水凝胶剪成10mm×4mm×3mm的条状，并穿插进滑雪防护服中对应的部位，各部位的TSTA水凝胶作为传感装置的传感模块，与数据采集存储模块相连，在运动时由数据采集存储模块记录各部位的TSTA水凝胶电阻变化数据，供运动后对运动状态变化的分析用；
所述数据采集存储模块包括恒流源1、模数转换器2、单片机3和存储控制器4，其中恒流源1为TSTA水凝胶提供恒定电流，用以在TSTA水凝胶两端产生随TSTA水凝胶阻值变化的电压，模数转换器2将该电压转换成数字信号并传送至单片机3，单片机3将各个部位采集的数据通过存储控制器4存储于外存介质中。
有益效果：
本发明提出了一种自凝防冻水凝胶的制备方法，将导电纳米颗粒添入到水凝胶体系中，既提高了水凝胶的粘附性和导电性，又能加速了整个反应体系的自由基聚合形成自凝水凝胶。甘油作为溶剂使水凝胶具备抗寒能力，在寒冷的条件下也能保持较高的柔韧性。本发明制备方法简单易行，原料价格低廉，信号响应灵敏，便于实时记录运动状态数据观。实现了在寒冷条件下对滑雪运动者的运动监测，对滑雪训练、教学起到有效的辅助作用。
附图说明：
图1是TSTA水凝胶的合成示意图；
图2是制备的TSTA水凝胶的SEM图；
图3是制备的TSTA水凝胶的机械性能分析图；
图4是制备的TSTA水凝胶的粘附性分析图；
图5是制备的TSTA水凝胶电机械性能分析图；
图6是TSTA水凝胶基可穿戴传感器对于身体不同部位运动过程的分析图；
图7是本发明所用的数据采集存储模块的结构框图；
图8是TSTA水凝胶基可穿戴传感器对于滑雪运动的分析图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例，进一步对本发明进行详细描述。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1TSTA水凝胶的制备
图1为本申请实施例中能便捷、实时、高效监测滑雪运动状态的可穿戴传感器的水凝胶传感模块的合成示意图。从图1中可以看出，该水凝胶传感模块主要由海藻酸钠和丙烯酰胺作为聚合基底。APS和MBA分别作为引发剂和交联剂促使形成三维网状结构。TA-Ag纳米颗粒的引入增加了水凝胶传感模块的粘附性和导电性，使其进一步适用于可穿戴运动传感设备的传感模块。
制作过程如下：
将100mg单宁酸与100mg硝酸银分别溶于50mL去离子水中并搅拌至完全溶解。继续将配置的单宁酸与硝酸银溶液混合，并超声30分钟。然后，将混合溶液在8000rpm转速离心15分钟得到黑色粉末。将获得的黑色沉淀用去离子水洗涤三次并置于60℃的烘箱中干燥4个小时得到黑色的TA-Ag粉末，由于单宁酸表面含有大量邻苯二酚基团，易与不同基底形成氢键进而吸附不同基底物质，此外，Ag粒子能增加水凝胶的导电性能，故本发明在制备水凝胶时用TA-Ag纳米颗粒作为导电填料。将40mg单宁酸加入到12mL浓度为1wt％海藻酸钠溶液中搅拌至完全溶解。然后依次向海藻酸钠和单宁酸的混合溶液中加入3g丙烯酸、0.36g硫酸铝、2mg N-N二甲基丙烯酰胺和0.046g过硫酸铵，搅拌至完全溶解。然后，将252uL浓度为15mg/mL的TA-Ag溶液加入到12mL上述水凝胶前驱体溶液中直至搅拌均匀。然后，加入6mL甘油。最后，将上述溶液转移至模具中，室温静置30分钟，得到TSTA水凝胶。
用扫描电子显微镜(SEM)对制备的TSTA水凝胶进行表征，具体详见图2。由图2可知TSTA水凝胶呈均匀的三维网状结构，孔径大约在30微米左右，证明了TSTA水凝胶的成功交联。
实施例2TSTA水凝胶的性能测试
将实施例1制备的TSTA水凝胶进行机械性能分析，具体详见图3。将10mm×4mm×3mm的水凝胶以50毫米/分钟的速度进行拉伸试验。结果显示，TSTA水凝胶的应变拉伸可达500％。经过多次循环后，TSTA水凝胶仍具有良好的机械性能。
将实施例1制备的TSTA水凝胶进行粘附性分析，具体详见图4。将玻璃、金属、聚丙烯手套和猪皮等基底切割为4cm×4cm正方形。然后，将水凝胶夹在基底之间形成2cm×2cm的重叠面积。以50毫米/分钟的速度拉伸基底，直至水凝胶完全分离。结果表明水凝胶具有良好的黏附能力，其黏附能力来源于TA-Ag纳米材料表面的邻苯二酚基团。
将实施例1制备的TSTA水凝胶进行电机械性能分析，具体详见图5。通过将10mm×4mm×3mm的TSTA水凝胶与万能拉力器和静电计相连。万能拉力计对TSTA水凝胶施加拉力，随着施加拉力的变化，水凝胶的形变不断增大，电阻变化率随之改变。结果表明，施加拉力与TSTA水凝胶电阻变化率成正相关，拟合曲线中R2＝0.99923。TSTA水凝胶在应变为100-250％下，GF值可达到6.90，具有极高的灵敏度可实现实时灵敏监测各项运动。
实施例3制作柔性可穿戴的滑雪运动传感装置的传感模块
将施例1制备的TSTA水凝胶黏附于人体在滑雪运动时需要监测的部位(如膝盖、手指、颈椎、手肘等关节部位)，将静电计两端电极分别连到每个部位的TSTA水凝胶的两侧，带有TSTA水凝胶的关节部位发生变化，利用静电计测量不同运动状态对应的电阻值，如果如图6所示。
将TSTA水凝胶剪成10mm×4mm×3mm的条状，并穿插进滑雪防护服中对应的部位，各部位的TSTA水凝胶作为传感装置的传感模块，与数据采集存储模块相连，在运动时由数据采集存储模块记录各部位的TSTA水凝胶电阻变化数据，供运动后对运动状态变化的分析用。
所述数据采集存储模块的结构框图如图7所示，包括恒流源1、模数转换器2、单片机3和存储控制器4，其中恒流源1为TSTA水凝胶提供恒定电流，用以在TSTA水凝胶两端产生随TSTA水凝胶阻值变化的电压，模数转换器2将该电压转换成数字信号并传送至单片机3，单片机3将各个部位采集的数据通过存储控制器4存储于外存介质中(如SD卡)。
集成了柔性可穿戴的滑雪运动传感装置的防护服，可以捕捉并记录TSTA水凝胶随运动的进行快速稳定地产生的电信号。图8给出了颈椎部位的TSTA水凝胶在不同规模程度的运动时的电阻变化率情况。结果表明，TSTA水凝胶基可穿戴传感器具有良好的灵活性和灵敏度。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的具体实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以进行改进和加工，这些改进和加工也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种自凝防冻水凝胶的制备方法，有以下步骤：
(1)将单宁酸、丙烯酸、硫酸铝、交联剂和引发剂按照40：3000：360：5：46的质量比加入到浓度为0.01g/mL的海藻酸钠溶液中，得到混合溶液；
(2)将单宁酸与银螯合制备单宁酸-银纳米颗粒，记为TA-Ag纳米颗粒；将TA-Ag纳米颗粒溶于去离子水中配制成0.015g/mL的TA-Ag水溶液，将TA-Ag水溶液与步骤(1)中混合溶液按体积比105：5000混合，再将得到的混合溶液与甘油按体积比2：1混合，得到带有纳米粒子的前驱体溶液；
(3)将步骤(2)中的前驱体溶液装入聚四氟乙烯的模具中并将模具用保鲜膜密封；室温下，TA-Ag纳米颗粒诱发自由基聚合反应，得到自凝防冻水凝胶，记为TSTA水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种自凝防冻水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述将单宁酸与银螯合制备单宁酸-银纳米颗粒具体步骤如下：
S21、将单宁酸和硝酸银分别溶解在去离子水中，浓度均为2mg/mL；
S22、将单宁酸与硝酸银溶液按体积比1：1进行混合并超声处理30分钟；
S23、将混合溶液以8000转/分钟离心12分钟得到TA-Ag纳米颗粒。
3.一种自凝防冻水凝胶的应用，所述自凝防冻水凝胶是按权利要求1的方法制备的，用于制备柔性可穿戴的滑雪运动传感装置的传感模块，具体步骤为：将TSTA水凝胶剪成10mm×4mm×3mm的条状，并穿插进滑雪防护服中对应的部位，各部位的TSTA水凝胶作为传感装置的传感模块，与数据采集存储模块相连，在运动时由数据采集存储模块记录各部位的TSTA水凝胶电阻变化数据，供运动后对运动状态变化的分析用。
4.根据权利要求3所述的一种自凝防冻水凝胶的应用，其特征在于，所述数据采集存储模块包括恒流源1、模数转换器2、单片机3和存储控制器4，其中恒流源1为TSTA水凝胶提供恒定电流，用以在TSTA水凝胶两端产生随TSTA水凝胶阻值变化的电压，模数转换器2将该电压转换成数字信号并传送至单片机3，单片机3将各个部位采集的数据通过存储控制器4存储于外存介质中。
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN117624477A true CN117624477A (zh) | 2024-03-01 |
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-
2023
- 2023-10-25 CN CN202311386132.8A patent/CN117624477A/zh active Pending
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