[發明專利]PAA類雙交聯網絡自愈合水凝膠電容式壓力傳感器

在審

• 申請號: 201810840345.6
• 申請日: 2018-07-27
• 公開（公告）號: CN109060198A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 袁寧一;王帥;丁建寧
• 申請（專利權）人: 常州大學;江蘇大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;C08F220/06;C08F220/56;C08F222/38
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本發明屬于新材料及傳感器技術領域，公開了一種PAA(聚丙烯酸)類雙交聯網絡自愈合水凝膠電容式壓力傳感器的制備方法，首先以丙烯酸和丙烯酰胺為基材，加入鐵離子形成配位，形成均一的物理與化學交聯雙層三維網狀結構，得到的水凝膠不僅具有強韌的機械性能，而且還具有快速自愈合的特性。為了充分利用水凝膠的特性，將其制作成兩端導電層為自愈合水凝膠中間介電層為PDMS的“三明治”結構的電容式壓力傳感器。本發明的制備方法簡單，原料來源廣泛，具有良好的電化學和機械性能，在柔性可穿戴材料領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于新材料及傳感器技術領域，具體涉及一種PAA類雙交聯網絡自愈合水凝膠電容式壓力傳感器的制備方法。

背景技術

自愈合材料是受到大自然的啟發，模仿生物體損傷愈合，通過物質補給或能量補給機制，使材料的微損傷能夠得以自動愈合的一種新興仿生材料。水凝膠是能吸收大量水并具有三維網絡結構的高分子，近年來已在生物醫學、組織工程、農業、食品、化工等方面取得廣泛的應用。最近隨著人們對水凝膠研究的深入，能實現自愈合的水凝膠引起了研究者們很大的關注。自愈合水凝膠在受到外部損傷后能啟動自愈合機制，以保持網狀結構的完整性和水凝膠的機械性能，保證它們能夠長期穩定地使用。自愈合材料在受到物理，化學或者機械損傷后能夠完全或者部分恢復到原狀，大多數通過聚合物骨架之間可逆的相互作用如：氫鍵，共價鍵，分子間作用力等方式來實現。但綜合性質還是不能讓人滿意，這極大的束縛了水凝膠的發展。

近年來，隨著物聯網、人工智能和人機交換等技術的發展，柔性可穿戴產品受到越來越多的關注和認可。柔性壓電式傳感器因其傳感機理簡單、靈敏度高和能耗低等特點逐步成為可穿戴電子產品研究的熱點。相比于傳統壓電式材料，導電水凝膠具有高可拉伸性、制備過程簡單、生物相容性好等優點，逐漸被應用于能源存儲、柔性驅動器和可拉伸傳感器等領域。因此通過簡單便捷的方法制備機械強度高，電化學性能優異穩定的導電水凝膠材料具有重大的研究意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種好拉伸性能，短自愈合時間，高自愈合效率的水凝膠及用其制作出電容式壓力傳感器。

本發明的設計思路是：利用丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)形成化學交聯網絡，同時丙烯酸中羧基和Fe³⁺進行配位形成雙交聯的三維網狀結構，使其具有很強的拉伸和自愈合的性質；通過將水凝膠溶液在具有凹槽的PDMS薄膜中固化，中間用薄的PDMS薄膜作為介電層制成由水凝膠與PDMS結合形成的三明治結構的電容式壓力傳感器，具有很高的靈敏度以及大的測量范圍。

本發明的技術方案為：首先是以丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)為單體，六水合氯化鐵(FeCl₃·6H₂O)為金屬離子絡合劑，N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)為交聯劑，過硫酸胺(APS)為引發劑，水(H₂O)作為溶劑，制得PAA類雙交聯網絡自愈合水凝膠自愈合水凝膠；將未固化的PDMS混合物在帶有凹槽的模具中固化成型，得到帶有凹槽的PDMS襯底，并在玻璃片上旋涂一層薄PDMS，固化后得到介電層，再將得到的自愈合水凝膠溶液在具有凹槽的PDMS薄膜中固化，最后將兩個固化好的水凝膠與PDMS介電層進行組裝形成三明治結構的電容式壓力傳感器。

本發明PAA類雙交聯網絡自愈合水凝膠電容式壓力傳感器的制備方法如下：

(1)將丙烯酸，丙烯酰胺，六水合氯化鐵(FeCl₃·6H₂O)，N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)，過硫酸胺(APS)和H₂O按比例配成溶液，混合均勻后通氮氣30分鐘除去溶液中的氣體，60℃下發生聚合反應30分鐘，得到自愈合水凝膠。

(2)將未固化的PDMS在帶有凹槽的模具中固化成型，得到帶有凹槽的PDMS襯底，并在玻璃片上旋涂一層薄PDMS(厚度為0.5mm)作為介電層。