本發(fā)明屬于柔性電子和傳感材料領(lǐng)域，具體涉及一種碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、柔性電子技術(shù)的不斷發(fā)展促進(jìn)了軟體機(jī)器人的深入研究和探索，也推動電子皮膚、可穿戴傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。然而，目前柔性電子材料主要以金屬及金屬氧化物等無機(jī)材料為主，不能同時滿足導(dǎo)電性和柔性，導(dǎo)致電子設(shè)備與皮膚或組織表面接觸不良，信號采集不精確。導(dǎo)電水凝膠結(jié)合水凝膠的柔軟性和導(dǎo)體的電子性質(zhì)，同時具有優(yōu)異的機(jī)械性能和傳感性能，廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和軟體機(jī)器人。

2、導(dǎo)電水凝膠結(jié)合了水凝膠和導(dǎo)電材料的特點，具有對壓力和應(yīng)變的超高敏感性、低檢測限以及優(yōu)良的導(dǎo)電性，因此成為設(shè)計柔性傳感器的首選材料。然而，由于凝膠網(wǎng)絡(luò)支架和剛性導(dǎo)電材料之間的界面作用較弱，導(dǎo)電水凝膠顯示出低可拉伸性(<1000%)、循環(huán)穩(wěn)定性差的機(jī)械性能。此外，在實際使用過程中，由于導(dǎo)電材料在凝膠循環(huán)變形過程中的堆積或斷裂，導(dǎo)電性會受到很大影響。這些缺點嚴(yán)重限制導(dǎo)電水凝膠在監(jiān)測大規(guī)模應(yīng)變和長期導(dǎo)電穩(wěn)定性方面的應(yīng)用。

3、因此，如何加強(qiáng)導(dǎo)電材料與凝膠網(wǎng)絡(luò)之間的界面相互作用，對于導(dǎo)電水凝膠的力學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有導(dǎo)電水凝膠存在導(dǎo)電材料與凝膠網(wǎng)絡(luò)之間的界面相互作用較弱的技術(shù)問題，提供一種碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠及其制備和應(yīng)用。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

3、一種碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠的制備方法，具體包括如下步驟：

4、（1）配制碳基材料溶液，向其中加入硅烷偶聯(lián)劑，混合均勻后緩慢滴加鹽酸，調(diào)節(jié)溶液的ph值至3-9，進(jìn)行加熱反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后，對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行離心、洗滌、干燥，得到預(yù)處理的碳基材料；

5、（2）將碳基材料加入到有機(jī)溶液中，超聲分散均勻，得到碳基材料有機(jī)分散液；

6、（3）配制丙烯酰胺溶液，并向其中加入蠶絲蛋白，接著加入n,n-亞甲基雙丙烯酰胺、過硫酸銨、碳基材料有機(jī)分散液，攪拌均勻，室溫下靜置至氣泡消失；然后在60℃下聚合反應(yīng)0.5～4h，反應(yīng)結(jié)束后，得到碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠。

7、進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述碳基材料為氧化石墨烯、多壁碳納米管、炭黑和ti3c2txmxene中的一種或幾種。

8、進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述碳基材料溶液的質(zhì)量濃度為0.3～13%，體積為5～15ml，硅烷偶聯(lián)劑為kh560，硅烷偶聯(lián)劑的體積為2～5ml。

9、進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述加熱反應(yīng)的溫度為90～180℃，反應(yīng)時間為4-12h。

10、進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述有機(jī)溶液為乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇、二甲苯、醋酸甲酯和環(huán)己酮中的一種或幾種，碳基材料與有機(jī)溶液的用量比為20～100mg:2～5ml。

11、進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述丙烯酰胺溶液的質(zhì)量濃度為8～23%，體積為5～15ml。

12、進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述丙烯酰胺溶液、蠶絲蛋白（sf）、n,n-亞甲基雙丙烯酰胺(mba)、過硫酸銨(aps)、十二烷基苯磺酸鈉(sdbs)和碳基材料有機(jī)分散液的用量比為3g:0.2～1.5g:0.2mg:20mg:0.1g：2.5ml。

13、本發(fā)明還提供了上述碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠的制備方法制備的碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠。

14、本發(fā)明還提供了上述碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠在制備壓阻式響應(yīng)觸變傳感器中的應(yīng)用。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

16、1.本發(fā)明制備的碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠由sf網(wǎng)絡(luò)和疏水性關(guān)聯(lián)的pam網(wǎng)絡(luò)組成，并將碳基材料有機(jī)分散液加入其中使凝膠網(wǎng)絡(luò)中均勻分散碳基材料，碳基材料易與凝膠網(wǎng)絡(luò)中的sf分子鏈和pam分子鏈互相牽引，形成靜電作用和氫鍵，同時pam分子鏈、sf分子鏈以及碳基材料上有豐富的親水基團(tuán)，會形成許多動態(tài)氫鍵，極大地改善導(dǎo)電材料和聚合物基質(zhì)之間的界面相互作用。

17、2.本發(fā)明在互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠的預(yù)聚液中加入表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(sdbs)，能夠誘導(dǎo)sf無規(guī)線圈形成β-片狀結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)凝膠快速成型；同時，在引發(fā)劑過硫酸銨（aps)和加熱條件下，丙烯酰胺(am)通過自由基共聚形成pam鏈，形成的pam分子鏈與原有的sf分子鏈相互交錯，從而提高水凝膠的機(jī)械性能，拉伸應(yīng)變可以達(dá)到4960%。

18、3.本發(fā)明制備的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠用作響應(yīng)觸變傳感器，具有優(yōu)異的傳感性能，不僅可以感應(yīng)砝碼重量的變化，還可以實時監(jiān)測人體喉嚨、肌肉以及心跳等微弱的運動信號。

技術(shù)特征：

1.一種碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠的制備方法，其特征在于，包括以下步驟；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（1）中，所述碳基材料為氧化石墨烯、多壁碳納米管、炭黑和ti3c2tx?mxene中的一種或幾種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（1）中，所述碳基材料溶液的質(zhì)量濃度為0.3～13%，體積為5～15ml，硅烷偶聯(lián)劑為kh560，硅烷偶聯(lián)劑的體積為2～5ml。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（1）中，所述加熱反應(yīng)的溫度為90～180℃，反應(yīng)時間為4～12h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（1）中，所述有機(jī)溶液為乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇、二甲苯、醋酸甲酯和環(huán)己酮中的一種或幾種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（2）中，所述碳基材料與有機(jī)溶液的用量比為20～100mg:2～5ml。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（2）中，所述丙烯酰胺溶液的質(zhì)量濃度為8～23%，體積為5～15ml。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（2）中，所述丙烯酰胺溶液、蠶絲蛋白、n,n-亞甲基雙丙烯酰胺、過硫酸銨、十二烷基苯磺酸鈉和碳基材料有機(jī)分散液的用量比為3g:0.2～1.5g:0.2mg:20mg:0.1g：2.5ml。

9.一種如權(quán)利要求1-8任一項所述的碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠的制備方法制備的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠在制備壓阻式響應(yīng)觸變傳感器中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種碳基材料增強(qiáng)的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠及其制備和應(yīng)用，屬于柔性電子和傳感材料領(lǐng)域。該方法包括：（1）碳基材料有機(jī)分散液的制備；（2）互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠的制備。本發(fā)明制備的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠由SF網(wǎng)絡(luò)和疏水性關(guān)聯(lián)的PAM網(wǎng)絡(luò)組成，并將碳基材料有機(jī)分散液加入其中使凝膠網(wǎng)絡(luò)中均勻分散碳基材料，碳基材料易與凝膠網(wǎng)絡(luò)中的SF分子鏈和PAM分子鏈互相牽引，形成靜電作用和氫鍵，同時PAM分子鏈、SF分子鏈以及碳基材料上有豐富的親水基團(tuán)，會形成許多動態(tài)氫鍵，極大地改善導(dǎo)電材料和聚合物基質(zhì)之間的界面相互作用；本發(fā)明制備的互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠用作響應(yīng)觸變傳感器，具有優(yōu)異的傳感性能。

技術(shù)研發(fā)人員：馮輝霞,劉亞飛,貴玉潔,趙苑,陳娜麗,譚琳,趙丹,劉生麗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘭州理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17