[發(fā)明專利]一種用于制備柔性電容式壓力傳感器的納米復(fù)合水凝膠及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011539910.9
• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN112625178B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 侯秀良;吳官正;肖學(xué)良
• 申請（專利權(quán)）人: 江南大學(xué)
• 主分類號: C08F220/56
• 分類號: C08F220/56;C08F222/38;C08F2/44;C08K3/04;G01L1/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 張勇

本發(fā)明公開了一種用于制備柔性電容式壓力傳感器的納米復(fù)合水凝膠及制備方法，屬于化學(xué)納米復(fù)合材料領(lǐng)域。本發(fā)明以丙烯酰胺為單體，氧化石墨烯為物理交聯(lián)點，N,N’?亞甲基雙丙烯酰胺為化學(xué)交聯(lián)劑，采用氧化還原復(fù)合引發(fā)體系，以原位聚合法合成得到PAM/BIS/GO納米復(fù)合水凝膠。本發(fā)明所得納米復(fù)合水凝膠的斷裂伸長率達到了2109.37％，拉伸強度42.20kPa，在壓縮應(yīng)變量為50％的情況下做50次循環(huán)壓縮，其最大壓縮強度為84.17kPa，壓縮完成后，樣品回復(fù)到原狀；基于該納米復(fù)合水凝膠制備得到的柔性電容式壓力傳感器在外力加載和卸載過程中具有出色的靈敏度和穩(wěn)定性，對人體運動顯示出出色的監(jiān)測能力，并在可穿戴設(shè)備，人機交互方面顯示出巨大潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于制備柔性電容式壓力傳感器的納米復(fù)合水凝膠及制備方法，屬于化學(xué)納米復(fù)合材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，隨著人工智能的發(fā)展和萬物互聯(lián)技術(shù)的逐漸成熟，作為連接人機橋梁的柔性可穿戴傳感器因其高靈活性和靈敏性，柔軟便攜，經(jīng)濟實用而引起了廣泛的關(guān)注?；谶@些優(yōu)點，柔性可穿戴傳感器在人體運動檢測，醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備和通過與人體皮膚或衣服的接觸進行醫(yī)學(xué)診斷的可穿戴電子設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用價值。這類設(shè)備具有將外部刺激(例如壓力，應(yīng)變，波動，熱和濕氣)轉(zhuǎn)換成可檢測和可記錄的電子信號(電流，電阻，電壓和電容)的能力。在此，通過力引起電容變化的柔性電容式壓力傳感器因其高靈敏度，低功耗，易于信號采集和結(jié)構(gòu)緊湊而引起了研究者的極大興趣。這些極大地刺激了壓力和應(yīng)變傳感材料的發(fā)展，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。絕大多數(shù)電容式壓力傳感器被設(shè)計為平行板電容器，其顯著特點是介電層被兩個平行導(dǎo)體夾在中間。

然而，由于介電層受外力作用引起的變形較微弱，電容式壓力傳感器的靈敏度受到嚴(yán)重限制。如何通過一種簡單而經(jīng)濟的方法來實現(xiàn)高性能的柔性電容式壓力傳感器仍然是一個挑戰(zhàn)。軟硅橡膠，柔性結(jié)構(gòu)織物，熱塑性彈性體和軟凝膠是用作介電層的最常見材料。

傳統(tǒng)的水凝膠的缺點是在高交聯(lián)密度下溶脹度低和機械性能差，這限制了它的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為了提高納米復(fù)合水凝膠的機械性能，為制備靈敏度高和性能穩(wěn)定的柔性電容式壓力傳感器提供一種回彈性能優(yōu)異的介電層，本發(fā)明采用超聲分散法，得到氧化石墨烯的超聲分散液，以丙烯酰胺為單體，氧化石墨烯為增強劑和物理交聯(lián)劑，N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺為化學(xué)交聯(lián)劑，過硫酸鉀和四甲基乙二胺為氧化還原復(fù)合引發(fā)劑，采用原位聚合法制備PAM/BIS/GO納米復(fù)合水凝膠。制備的PAM/BIS/GO納米復(fù)合水凝膠斷裂伸長率達到了2109.37％，拉伸強度42.20kPa，在壓縮應(yīng)變量為50％的情況下做50次循環(huán)壓縮，其最大壓縮強度為84.17kPa，壓縮完成后，樣品回復(fù)到原狀。

本發(fā)明納米復(fù)合水凝膠(NC凝膠)是一種柔性材料，含水量高達80～90％，機械強度高達數(shù)十兆帕；結(jié)合了納米材料的尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng)以及獨特的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可拉伸，靈活和出色的機械性能，具有優(yōu)異的機械性能和良好細(xì)胞相容性的三維網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)水凝膠，是柔性電容式壓力傳感器的優(yōu)選材料。

本發(fā)明的第一個目的是提供一種制備納米復(fù)合水凝膠的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)將氧化石墨烯分散在水中，然后加入氨水，配置得到氧化石墨烯分散液；

(2)將丙烯酰胺單體、N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺和氧化性引發(fā)劑加入到步驟(1)所得的氧化石墨烯分散液中，控制溫度在0-4℃，形成預(yù)反應(yīng)體系；

(3)向步驟(2)所得預(yù)反應(yīng)體系中加入還原性引發(fā)劑，在20-30中℃下反應(yīng)20-30h，然后升溫至40-60℃下繼續(xù)反應(yīng)1-3h；反應(yīng)結(jié)束后獲得納米復(fù)合水凝膠，記作PAM/BIS/GO水凝膠。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1wt％～2.0wt％。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述氧化石墨烯分散液中氨水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01wt％～0.1wt％。