[發明專利]一種超快自愈的多糖基水凝膠應變傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010723919.9
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN112066866B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 徐敏;王艷玲;黃海龍;韓盧;楊仲麗;蔣治成
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;C08L3/02;C08L29/04;C08J3/075
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種超快自愈的多糖基水凝膠應變傳感器及其制備方法，采用天然多糖和聚乙烯醇通過一鍋法制備得到具有超快自愈的可拉伸可完全降解水凝膠，并將其應用于柔性應變傳感器領域。該水凝膠在動態硼酯鍵和氫鍵協同作用下，在空氣和水下均顯示出超快自愈能力，解決了柔性設備損傷后愈合慢，愈合需要光、熱、電等外界刺激、在水下無法愈合以及難降解污染環境等難題。另外該水凝膠對拉伸應變和壓縮應變具有快速響應性，可以對喉嚨發聲、吞咽、皺眉等產生的微小形變以及手指、手肘、膝蓋等肢體運動產生的較大形變實現實時監測。本發明的水凝膠應變傳感器制備過程簡單，環境友好、價格低廉并且可完全降解，在柔性電子領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種超快自愈的多糖水凝膠應變傳感器及其制備方法，具體可以在柔性可穿戴設備、柔性電子皮膚、動作實時監測器、柔性機器人、致動器上的應用。

背景技術

近十年來，隨著人機交互、植入式生理信號跟蹤系統、醫療健康監測和儲能等新型柔性設備的快速發展，所用材料的機械性能類似或超過柔軟生物組織的已然成為了科研工作者的研究熱點。模仿人類的感觸覺能力以及具有良好的機械性能和導電性能是最終的目標。將導電材料（石墨烯、碳納米管、金屬顆粒、納米線等）填充到彈性基質中制備的柔軟可伸縮應變傳感器可以對多種外部刺激產生形變并且定量輸出電信號，但是導電材料往往分布不均勻，材料在形變過程中檢測范圍有限，伸縮過程中易斷裂等，這極大地降低了其實用價值。因此，離子導電水凝膠由于其良好的伸縮性、導電性、傳導機制簡單等優點而受到廣泛關注。

同時，自愈性概念來源于生物組織的自愈合能力和再生功能，當材料受到外界損傷時能夠自修復，并恢復柔性器件物理結構和正常功能，增加其使用壽命，提高其性價比。但目前大多數材料自愈速度緩慢，需要外界刺激（光、熱、電、力等）并且只能在空氣中實現自我修復，在水中親水性分子鏈與水分子結合，在水凝膠斷裂面形成一定的界面，防止高分子鏈的擴散和碰撞，阻止其斷裂處在水中的自愈合，這極大影響柔性設備在實際生活中的應用。然而在空氣和水下都能夠快速自愈的柔性水凝膠傳感器鮮少報道。

另外，已報道的具有良好拉伸性能的柔性電子材料基本都無法降解，所產生的電子垃圾將對已經惡化的人類賴以生存的環境造成更大的負擔。綜上，傳統水凝膠基柔性設備可拉伸性差、易損壞、自愈時間長、在水下無法自愈、原材料價格高同時又無法降解，這對其在實際生活中的應用提出諸多挑戰。

發明內容

本發明的目的是針對傳統水凝膠基柔性設備普遍存在可拉伸性差、損壞后無法自愈、需要外部刺激且速度慢、在水下無法自愈、價格高和無法完全降解等缺點，提出了一種采用天然多糖和聚乙烯醇通過一鍋法制備在空氣和水下都可快速自愈、可拉伸的多糖基水凝膠應變傳感器。值得一提的是，傳統的水凝膠中親水性分子鏈在水下更容易與水分子結合，在水凝膠斷裂面形成一定的界面，防止高分子鏈的擴散和碰撞，阻止水凝膠在水中的自愈合。然而本發明中的斷裂的硼酯鍵在水的作用下更有利于硼離子的擴散和硼酯鍵的重組，進而促進水凝膠在水下的自愈。該柔性可拉伸自愈應變傳感器，具有可拉伸、檢測范圍寬、價格低廉、在空氣和水中都可快速自愈、可完全降解等優點，這將有效拓寬水凝膠柔性設備在實際生活中的應用。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種超快自愈的多糖基水凝膠應變傳感器的制備方法，該方法包括以下具體步驟：

步驟1：將多糖、聚乙烯醇及硼砂放到燒杯中；去離子水加入到所述燒杯中，油浴條件下機械攪拌，得到多糖-聚乙烯醇-硼砂溶膠；其中，油浴溫度為80℃～110℃；機械攪拌速度為200～600 r/min，攪拌時間為2～6h；

所述的多糖和聚乙烯醇的質量比為0.2～7:10～0.1，所述的多糖和硼砂的質量比為0.01～10:0.01～0.5；所述的多糖和去離子水的質量比為0.1～15:15～100；

步驟2：將機械攪拌停止并去除攪拌棒，繼續保持油浴加熱 1～5h，直到溶膠中的氣泡完全消失；