本技術涉及一種高強度柔性復合凝膠材料、高強度柔性應變片及其制備方法及在傳感器和智能穿戴設備中的應用，屬于智能裝備領域。

背景技術：

1、傳統(tǒng)剛性不可擴展應變片有很多缺點限制了其在實際中的應用，例如阻抗不匹配、傳感范圍窄、易碎、不耐疲勞/斷裂等。

2、基于導電聚合物水凝膠的高可拉伸應變傳感器正迅速成為各種可穿戴皮膚和軟機器傳感設備的有前途的候選者。然而，現(xiàn)有的應變傳感器由于其固有的低拉伸性和大滯后的局限性，在可穿戴或機器人系統(tǒng)中應用時不能充分發(fā)揮其潛力。此外應變傳感器在無約束條件下工作時，通常容易受到到彎曲、扭轉和壓力變形模式的影響，這些限制極大地阻礙了它們在具有大變形范圍和多功能的軟機器人系統(tǒng)中的實際應用。

3、為了實現(xiàn)集成傳感器的精確監(jiān)測，同時使傳感器在非結構化環(huán)境中提供高拉伸性、快速響應和出色的重復性，許多科研工作者都在努力開發(fā)不同類型傳感器的原型設計，導電聚合物水凝膠兼具離子導電性和電子導電性，具有固有可拉伸性、穩(wěn)定導電性、生物相容性和機械魯棒性等特殊優(yōu)勢，迅速成為有前景的候選材料。但是大多數(shù)報道的傳感器都表現(xiàn)出低的信噪比以及受軸向外載荷(彎曲、扭轉和壓力)的影響較大。因此在寬響應范圍內(nèi)具有高傳感分辨率的高強度柔性應變片在可穿戴系統(tǒng)中展示了有前途的新功能。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決目前智能穿戴產(chǎn)品中，傳統(tǒng)剛性不可擴展應變片阻抗不匹配、傳感范圍窄、不耐疲勞以及應變靈敏度低等問題，根據(jù)本技術的一個方面，提供一種高強度柔性復合凝膠材料及高強度柔性應變片，該高強度柔性復合凝膠材料具有優(yōu)異的應變傳感性能，超高斷裂能和疲勞閾值。經(jīng)光刻后得到的高強度柔性應變片具有良好的信噪比和抗機械彎曲、扭轉和擠壓的機電魯棒性。

2、所述高強度柔性復合凝膠材料包含聚氨酯薄膜、由聚乙烯醇-聚丙烯酰胺-丙烯酸離子水凝膠在所述聚氨酯薄膜孔隙中原位聚合形成的聚合物。

3、優(yōu)選地，所述由聚乙烯醇-聚丙烯酰胺-丙烯酸離子水凝膠中含有氯化鈣、交聯(lián)劑和光引發(fā)劑。

4、所述高強度柔性復合凝膠材料的拉伸強度為8～9mpa，斷裂伸長率為1400～1600％，疲勞閾值為3000～3500j?m-2。

5、一種高強度柔性應變片，由上述所述的高強度柔性復合凝膠材料經(jīng)光刻得到。

6、根據(jù)本技術的又一方面，提供所述高強度柔性復合凝膠材料的制備方法。針對傳統(tǒng)剛性不可擴展應變片阻抗不匹配、傳感范圍窄、不耐疲勞以及應變靈敏度低等問題，本發(fā)明的發(fā)明人團隊開發(fā)了一種機械聯(lián)鎖策略，將彈性體和離子水凝膠集成在材料中。具體為：采用靜電紡絲技術制備了具有高彈性、結構可變形的彈性聚氨酯tpu纖維網(wǎng)絡；同時構筑天然高分子聚合物聚乙烯醇(pva)和聚丙烯酰胺(pam)/丙烯酸(aa)的離子水凝膠。在研究過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在其中引入氯化鈣不僅能夠提供良好的電導率而且可以調(diào)控離子凝膠的吸失水動態(tài)平衡，達到長期穩(wěn)定的效果。然后將離子水凝膠滲透進tpu襯底，通過原為聚合的方式在紫外光下引發(fā)聚合制備tpu復合離子凝膠。

7、所述高強度柔性復合凝膠材料的制備方法，包括將含有聚乙烯醇、丙烯酰胺、丙烯酸的溶液，滲入聚氨酯薄膜的孔隙中，經(jīng)光固化，即得所述高強度柔性復合凝膠材料。

8、作為一種具體的實施方式，所述高強度柔性復合凝膠材料的制備方法包括以下步驟：

9、a)將丙烯酰胺加入聚乙烯醇水溶液中，然后加入氯化鈣，溶解后加入丙烯酸、交聯(lián)劑和光引發(fā)劑，得到溶液a；

10、b)采用靜電紡絲技術制備得到聚氨酯彈性薄膜；

11、c)將步驟a)所得的溶液a滴入步驟b)所得的聚氨酯彈性薄膜中，待所述溶液a滲透所述聚氨酯彈性薄膜后，置于紫外光下進行光固化，得到高強度柔性復合凝膠材料。

12、優(yōu)選地，步驟a)中所述溶液a中聚乙烯醇的重量百分含量為0.5～1.5wt％；

13、丙烯酰胺的重量百分含量為10～20wt％；

14、cacl2的重量百分含量為15～25wt％；

15、丙烯酸的重量百分含量為1.5～7.5wt％；

16、交聯(lián)劑：0.01～0.02wt％；

17、光引發(fā)劑：0.6～1.0wt％。

18、進一步優(yōu)選地，步驟a)中所述溶液a中聚乙烯醇的重量百分含量為0.8～1.2wt％；

19、丙烯酰胺的重量百分含量為15～20wt％；

20、cacl2的重量百分含量為18～23wt％；

21、丙烯酸的重量百分含量為2.4～6.0wt％；

22、交聯(lián)劑：0.01～0.02wt％；

23、光引發(fā)劑：0.6～1.0wt％。

24、更進一步優(yōu)選地，步驟a)中所述溶液a中聚乙烯醇的重量百分含量為1wt％；

25、丙烯酰胺的重量百分含量為16wt％；

26、cacl2的重量百分含量為20wt％；

27、丙烯酸的重量百分含量為4wt％；

28、交聯(lián)劑：0.016wt％；

29、光引發(fā)劑：0.8wt％。

30、優(yōu)選地，所述交聯(lián)劑為n,n’-亞甲基雙丙烯酰胺。

31、優(yōu)選地，所述光引發(fā)劑為2-羥基-4’-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮(光引發(fā)劑2959)、2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(光引發(fā)劑1173)或2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-嗎啉基-1-丙酮(光引發(fā)劑mbf)中的至少一種。

32、優(yōu)選地，步驟b)為：采用靜電紡絲工藝以含有聚氨酯的溶液制備得到所述聚氨酯彈性薄膜；

33、所述含有聚氨酯的溶液為聚氨酯的四氫呋喃和n,n’-二甲基甲酰胺溶液。

34、優(yōu)選地，含有聚氨酯的溶液中，溶質(zhì)聚氨酯的重量百分含量為15～25wt％。

35、可選地，將聚氨酯顆粒加入在四氫呋喃(tnf)和n,n-二甲基甲酰胺(dmf)的混合溶液中，常溫混合攪拌10～15小時，得到所述含有聚氨酯的溶液。

36、優(yōu)選地，含有聚氨酯的溶液中，溶劑為四氫呋喃和n,n’-二甲基甲酰胺組成的混合溶劑，四氫呋喃與n,n’-二甲基甲酰胺的體積比為4～5:1。

37、優(yōu)選地，所述靜電紡絲工藝的條件為：靜電紡絲時溫度為60～80℃，針尖與收集器之間的距離為14～18cm。

38、可選地，靜電紡絲時溫度獨立地選自60℃、70℃、80℃。

39、可選地，針尖與收集器之間的距離獨立地選自14cm、15cm、16cm、17cm、18cm。

40、優(yōu)選地，步驟c)中所述聚氨酯彈性薄膜先經(jīng)過等離子清洗后，再滴入所述溶液a。

41、優(yōu)選地，步驟c)中紫外光下進行光固化，紫外光源與聚合物之間的距離為5～10cm，光照時間為0.5～1h。

42、根據(jù)本技術的又一方面，提供所述高強度柔性復合凝膠材料、高強度柔性應變片在傳感器中的應用。

43、根據(jù)本技術的又一方面，提供所述高強度柔性復合凝膠材料、高強度柔性應變片在智能穿戴設備中的應用，該智能穿戴設備可用于人體健康監(jiān)測。

44、本技術中，聚乙烯醇簡寫為pva，聚丙烯酰胺簡寫為pam，丙烯酸簡寫為aa，聚氨酯簡寫為tpu，四氫呋喃簡寫為tnf，n,n-二甲基甲酰胺簡寫為dmf。

45、本技術的有益效果包括但不限于：

46、(1)本技術所提供的高強度柔性復合凝膠材料，具有良好的生物相容性，且是健康無毒無害且可降解的材料，可用于生物組織的監(jiān)測以及醫(yī)療健康等領域。

47、(2)本技術所提供的高強度柔性復合凝膠材料，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，在不做任何保護措施的情況下可以長期儲存，失水和吸水可以達到動態(tài)平衡。

48、(3)本技術所提供的高強度柔性復合凝膠材料，通過離子凝膠與彈性體網(wǎng)絡的機械互鎖結構使其具有59.6kj?m-2的超高斷裂能和3300j?m-2的疲勞閾值，同時還保持優(yōu)異的強度和拉伸性能。

49、(4)本技術所提供的高強度柔性復合凝膠材料，在靜態(tài)和動態(tài)加載下具有優(yōu)異的應變傳感性能，具有微小的檢測極限(0.05％的應變)，超快的響應時間(0.495ms)，同時還保持高線性度。

50、(5)本技術所提供的高強度柔性復合凝膠材料，可以準確檢測0.5-1000hz之間的全范圍人體相關頻率振動，實現(xiàn)生理參數(shù)的測量。

51、(6)本技術所提供的高強度柔性應變片，具有良好的信噪比和抗機械彎曲、扭轉和擠壓的機電魯棒性。

52、(7)將多個本技術所提供的高強度柔性應變片通過多通道采集設備集成在一起，可以構建一個智能人體運動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在機器學習技術的輔助下對典型的人體運動進行分類，這一創(chuàng)新將推動可穿戴遠程醫(yī)療技術的發(fā)展。