抗溶胀和可拉伸的导电聚合物水凝胶及其制备方法和应用

本发明属于柔性可穿戴传感器水凝胶，具体涉及一种抗溶胀和可拉伸的导电聚合物水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、可穿戴传感器是近年来高速发展的传感器技术，已经广泛应用于国民生活和生产的多个方面。可穿戴传感器的发展为行业带来了更多的可能性，尤其是在生物医疗、电子皮肤和健康检测等领域影响重大。但是，传统的可穿戴电子设备具有可拉伸性能差、柔韧性低及导电性能不灵敏等缺陷，所以具有柔性、可拉伸及导电性能的可穿戴传感器受到了广泛的关注与研究，以应用在不同环境下的传感应用，如人体运动检测和电子皮肤等。

2、柔性可穿戴水凝胶传感器的发现，可以很好的解决传统可穿戴传感器可拉伸性能差、柔韧性低和导电性能弱等不良影响。由于水凝胶其自身的拉伸性、柔韧性和弹性等优点，已成为可穿戴电子设备和柔性应变传感器的候选材料之一。但是，传统水凝胶在水性环境中不可避免地会发生溶胀行为，溶胀行为不仅会削弱水凝胶的力学性能，而且由于水凝胶基质的体积膨胀，同时会损害柔性应变传感器的性能。

3、因此，克服水凝胶的溶胀问题，制备抗溶胀、坚韧、导电的聚合物，这将对拓宽其潜在的水下应用具有重要意义。

技术实现思路

1、为了解决现有水凝胶无法兼顾优异抗溶胀、可拉伸性和导电性的技术问题，本发明提出了一种抗溶胀和可拉伸的导电聚合物水凝胶的传感材料的制备和应用。

2、所述的抗溶胀可拉伸的导电聚合物水凝胶，是以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酸羟乙酯为单体，以乙二醇为溶剂，在引发剂过硫酸铵和交联剂n-n’亚甲基双丙烯酰胺作用下，通过自由基聚合反应得到。

3、所述的抗溶胀可拉伸的导电聚合物水凝胶的制备方法，其具体步骤为：

4、(1)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酸羟乙酯和乙二醇依次加入至烧杯，40-60℃条件下搅拌30-60min至完全溶解，得混合溶液i；

5、(2)向混合溶液i中加入含引发剂的水溶液和交联剂，40-60℃加热搅拌30-60min至完全溶解，得到混合溶液ii；

6、(3)将混合溶液ii注入到模具，然后在75-85℃条件下自由基聚合4-6h，得到水凝胶前体；

7、(4)将水凝胶前体置于去离子水中，室温下浸泡23-25h，得到抗溶胀可拉伸的导电聚合物水凝胶。

8、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸：甲基丙烯酸羟乙酯：乙二醇：含引发剂的水溶液：交联剂＝0.01g：4ml：3ml：1ml：0.005g。含引发剂的水溶液中，引发剂的浓度为60mg/ml。

9、本发明首先通过自由基聚合制备了有机水凝胶前体，再通过溶剂置换得到所需的水凝胶。其中单体间形成大量的氢键增强了水凝胶的力学性能，amps中的磺酸基团具有亲水性，hema中的酯基具有疏水性。亲水和疏水基团形成亲疏水平衡作用，使所制备的水凝胶具有抗溶胀性能；amps中磺酸基团带负电，与电离出来的部分带正电氢离子可以形成经典相互作用，也可以起到导电的作用；乙二醇作为溶剂在后续的溶剂置换过程中置换，其中也含有大量的羟基用于增强水凝胶的力学性能；aps是引发剂，引发自由基聚合；mbaa为交联剂，提供更多的交联点。溶剂置换会使得水凝胶内部的结构进行重新排列，拥有更加整齐有序的内部网络结构，乙二醇含有大量的羟基溶剂置换之后氢键作用加强使得机械性能增强，溶剂置换后产生的孔状结构也可以为导电离子提供运输通道，提高导电性能。基于以上制备了具有抗溶胀性、可拉伸性及导电性能的水凝胶。

10、本发明具有以下有益效果：

11、1)本发明通过引入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酸羟乙酯单体，乙二醇作为溶剂，aps引发剂及mbaa交联剂通过自由基聚合制备了p(amps/hema/eg)-有机凝胶前体，然后又通过溶剂置换获得了p(amps/hema/eg)-水凝胶。置换后的水凝胶拉伸应变约为519.09％，具有更优异的力学性能。

12、2)本发明所述的水凝胶由于亲疏水平衡，氢键和静电相互作用的协同作用具有良好的抗溶胀性，所以可以保证该水凝胶在不同的水性环境中仍保持良好的稳定性及导电性能，通过反复的浸泡和烘干后仍具有良好的恢复性。

13、3)本发明所制备的具有抗溶胀性、可拉伸性及导电性能的水凝胶传感器在不同环境中均可输出稳定的电信号，可以用来识别人体生理运动信号。

14、4)本发明制得的p(amps/hema/eg)-水凝胶传感器合成过程简单，成本低，具有良好的生物相容性，无毒性，所以将其制备成柔性可穿戴传感器可以成功的用于人体健康和生理运动信号监测。

技术特征：

1.一种抗溶胀可拉伸的导电聚合物水凝胶，其特征在于，该水凝胶是以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酸羟乙酯为单体，以乙二醇为溶剂，在引发剂和交联剂作用下，通过自由基聚合反应得到。

2.根据权利要求1所述的一种抗溶胀可拉伸的导电聚合物水凝胶，其特征在于，所述的引发剂为过硫酸铵，所述的交联剂为n-n’亚甲基双丙烯酰胺。

3.权利要求1或2所述的抗溶胀可拉伸的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，其具体步骤为：

4.根据权利要求3所述的抗溶胀可拉伸的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸：甲基丙烯酸羟乙酯：乙二醇：含引发剂的水溶液：交联剂＝0.01g：4ml：3ml：1ml：0.005g。

5.根据权利要求3所述的抗溶胀可拉伸的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，含引发剂的水溶液中，引发剂的浓度为60mg/ml。

6.权利要求1或2所述的抗溶胀可拉伸的导电聚合物水凝胶在柔性可穿戴传感器上的应用。

技术总结本发明属于柔性可穿戴传感器水凝胶技术领域，具体涉及一种抗溶胀和可拉伸的导电聚合物水凝胶及其制备方法和应用。所述水凝胶是以2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸和甲基丙烯酸羟乙酯为单体，以乙二醇为溶剂，在引发剂和交联剂作用下，通过自由基聚合反应得到。本发明所述的水凝胶具有优异的力学性能、抗溶胀性、可拉伸性及导电性，在不同环境中均可输出稳定的电信号，用来识别人体生理运动信号，且合成过程简单，成本低。技术研发人员：高子健,关欣,金朝辉,孙健受保护的技术使用者：吉林化工学院技术研发日：技术公布日：2024/6/18