本發(fā)明屬于水凝膠和柔性傳感領(lǐng)域，具體涉及一種有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

2、能夠?qū)崟r同步檢測外部變形并將其轉(zhuǎn)換為電信號的柔性可擴(kuò)展可穿戴應(yīng)變傳感器因其在電子皮膚、軟機(jī)器人、人機(jī)界面和人體健康監(jiān)測中的重要作用而受到廣泛關(guān)注。應(yīng)變傳感器在外力作用下表現(xiàn)出伸長和縮短的變化，以產(chǎn)生可再現(xiàn)的電信號。然而，大多數(shù)應(yīng)變傳感器都存在檢測范圍窄、拉伸應(yīng)變小、耐用性差、制備方法繁瑣等局限性。

3、聚合物水凝膠是以水為分散介質(zhì)通過物理或化學(xué)交聯(lián)形成的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)凝膠，具有合成工藝簡單，含水量易于調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，可以在變形過程中保持結(jié)構(gòu)完整性，并且具有類似于生物組織的柔韌性。與傳統(tǒng)的金屬、聚合物等應(yīng)變傳感器材料相比，水凝膠具有較優(yōu)的機(jī)械性能，但是水凝膠低濕度環(huán)境中易脫水和高濕度環(huán)境或水環(huán)境中易溶脹的缺陷抑制了其力學(xué)強(qiáng)度和功能，限制了水凝膠作為應(yīng)變傳感器的應(yīng)用場景。此外，雖然在水凝膠基質(zhì)中引入如mxenes、碳納米管、rgo、石墨烯、聚吡咯和聚苯胺等導(dǎo)電填料可以改善水凝膠導(dǎo)電性，但是填料的引入反而影響了水凝膠自身的力學(xué)性質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度。聚合物水凝膠作為可穿戴應(yīng)變傳感器仍難以同時滿足機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明首先合成了制備了強(qiáng)韌且導(dǎo)電的有機(jī)硅增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合水凝膠，進(jìn)一步通過溶劑置換策略制備了機(jī)械性能、保水性能和電學(xué)性能均顯著增強(qiáng)的有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠，可作為可穿戴應(yīng)變傳感器來檢測極微小的應(yīng)變，包括微笑和說話等。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

4、s1、將氨基聚硅烷和聚乙烯醇溶解于水中加熱反應(yīng)，加入多元酸反應(yīng)得到混合物，混合物經(jīng)離心、冷凍、解凍后得到有機(jī)硅增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合水凝膠；

5、s2、將有機(jī)硅增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合水凝膠置于有機(jī)溶劑或有機(jī)溶劑的水溶液中進(jìn)行溶劑置換，得到有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠。

6、優(yōu)選的，步驟s1中，所述氨基聚硅烷由氨基硅烷與水混合經(jīng)加熱回流、真空除水、減壓冷卻制備得到。

7、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述氨基硅烷包括3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、n-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷、n-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二乙氧基硅烷和三甲氧基[3-(甲氨基)丙基]硅烷中的至少一種，所述氨基硅烷與水的摩爾比為1:(2～5)。

8、進(jìn)一步優(yōu)選的，在n2氛圍中加熱至140℃～160℃回流1～2h，140℃～160℃下真空除水1～2h，減壓冷卻至20℃～30℃。

9、優(yōu)選的，步驟s1中，氨基聚硅烷和聚乙烯醇的質(zhì)量比為(0.0625～0.75):1，所述多元酸包括植酸、檸檬酸和三聚磷酸中的至少一種，聚乙烯醇、水和多元酸的比例為(1g):(5～7ml):(3～5ml)。

10、優(yōu)選的，步驟s1中，加熱至90℃～100℃反應(yīng)1～2h，加入多元酸反應(yīng)1～2h。

11、優(yōu)選的，步驟s2中，所述有機(jī)溶劑包括乙醇、丙三醇和二甲基亞砜中的至少一種，所述有機(jī)溶劑的水溶液中有機(jī)溶劑體積濃度為0％～100％且不包括0％和100％；溶劑置換的時間為12～48h，溶劑置換次數(shù)為1～3次。

12、第二方面，本發(fā)明提供了一種有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠，通過如第一方面所述的制備方法獲得。

13、第三方面，本發(fā)明提供了如第二方面所述的有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠在柔性傳感中的應(yīng)用。

14、第四方面，本發(fā)明提供了一種可穿戴應(yīng)變傳感器，包括如第二方面所述的有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠。

15、上述本發(fā)明的一種或多種技術(shù)方案取得的有益效果如下：

16、將氨基聚硅烷引入聚乙烯醇基質(zhì)中，通過與多元酸交聯(lián)和凍融循環(huán)獲得了有機(jī)硅增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合水凝膠。聚乙烯醇通過凍融循環(huán)過程交聯(lián)形成主網(wǎng)絡(luò)，多元酸交聯(lián)氨基聚硅烷作為第二網(wǎng)絡(luò)，兩個網(wǎng)絡(luò)相互穿插并通過多元酸連接。進(jìn)一步通過溶劑置換獲得有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠，并通過調(diào)控有機(jī)溶劑種類和濃度使復(fù)合水凝膠的機(jī)械性能、保水性能和電學(xué)性能均得到提升。

17、有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠對不同應(yīng)變反應(yīng)迅速，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，顯示出非常高的重復(fù)響應(yīng)能力和極高的靈敏度，可以實(shí)時檢測極其微小的應(yīng)變信號，獲得的波形也基本相同。

18、有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠可以有效監(jiān)測大幅度的人體運(yùn)動(大變形)和面部的微表情變化(小變形)，信號檢測靈敏穩(wěn)定，可作為可穿戴應(yīng)變傳感器材料。

技術(shù)特征：

1.一種有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s1中，所述氨基聚硅烷由氨基硅烷與水混合經(jīng)加熱回流、真空除水、減壓冷卻制備得到。

3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述氨基硅烷包括3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、n-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷、n-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二乙氧基硅烷和三甲氧基[3-(甲氨基)丙基]硅烷中的至少一種，所述氨基硅烷與水的摩爾比為1:(2～5)。

4.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，在n2氛圍中加熱至140℃～160℃回流1～2h，140℃～160℃下真空除水1～2h，減壓冷卻至20℃～30℃。

5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s1中，氨基聚硅烷和聚乙烯醇的質(zhì)量比為(0.0625～0.75):1，所述多元酸包括植酸、檸檬酸和三聚磷酸中的至少一種，聚乙烯醇、水和多元酸的比例為(1g):(5～7ml):(3～5ml)。

6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s1中，加熱至90℃～100℃反應(yīng)1～2h，加入多元酸反應(yīng)1～2h。

7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s2中，所述有機(jī)溶劑包括乙醇、丙三醇和二甲基亞砜中的至少一種，所述有機(jī)溶劑的水溶液中有機(jī)溶劑體積濃度為0％～100％且不包括0％和100％；溶劑置換的時間為12～48h，溶劑置換次數(shù)為1～3次。

8.一種有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠，其特征在于，通過如權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的制備方法獲得。

9.如權(quán)利要求8所述的有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠在柔性傳感中的應(yīng)用。

10.一種可穿戴應(yīng)變傳感器，其特征在于，包括如權(quán)利要求8所述的有機(jī)溶劑-水雙溶劑復(fù)合水凝膠。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水凝膠和柔性傳感領(lǐng)域，具體涉及一種有機(jī)溶劑?水雙溶劑復(fù)合水凝膠及其制備方法和應(yīng)用。將氨基聚硅烷和聚乙烯醇溶解于水中加熱反應(yīng)，加入多元酸反應(yīng)得到混合物，混合物經(jīng)離心、循環(huán)凍融后得到有機(jī)硅增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合水凝膠；有機(jī)硅增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合水凝膠置于有機(jī)溶劑或有機(jī)溶劑的水溶液中進(jìn)行溶劑置換即得有機(jī)溶劑?水雙溶劑復(fù)合水凝膠。

技術(shù)研發(fā)人員：程瀟,張昊,周傳健
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2