本發明涉及導電凝膠，涉及一種高濃度鹽基導電凝膠及其制備方法與應用，具體涉及一種依靠具有強水合能力的高濃度鹽溶液作為分散相的，同時具有低模量、高強度和低滯后力學特征的柔性導電水凝膠及其制備方法和在應變傳感器中的應用。

背景技術：

1、柔性應變傳感器是一種能夠感知被檢測物活動(常見于拉伸、彎曲、扭曲、壓縮、折疊等變形)的柔性電子器件，通常由導電材料和柔性聚合物襯底組成，通過柔性應變傳感器電阻、電容、電流等電學參數的變化間接記錄被檢測者的各種物理活動。相較于金屬材料或半導體材料基的剛性應變傳感器，柔性應變傳感器的最大特征在于其大尺度的低驅動可形變性。凝膠是由具有力學承載能力聚合物網絡和液體分散相構成的一類新型材料，凝膠不僅表現出與人體器官類似的力學性能，還表現出優異的生物相容性、開放的液體環境和良好的加工性，使其成為制造柔性應變傳感器的理想襯底。雖然凝膠具有大尺度的形變能力，但是模量、強度、力學滯后等力學參數對凝膠基的柔性應變傳感器的性能會產生顯著的影響。

2、雖然普通的導電凝膠應變傳感器能夠將被檢測物的部分物理活動轉換為電信號，但是由于凝膠自身的一些力學參數未能很好的滿足使用要求，導致凝膠基柔性應變傳感器的性能表現不夠理想，具體表現為輸出的電信號信噪比低、局部信號缺失、信號檢測閾值范圍窄等。導電凝膠的模量對應變傳感器的柔順性將產生直接的影響，被檢測的人體器官或組織一般表現出kpa級的模量，常見于皮膚組織，而如果凝膠基柔性應變傳感器的模量在mpa級，當應變傳感器貼在皮膚上用于檢測人體活動時，便會因為力學模量的不匹配造成雙方面的不足，其一是導致被檢測人員的佩戴舒適性大大降低，其二是由于材料的高模量需要更大的驅動力，所以導致輕微的活動不能被應變傳感器所檢測；導電凝膠的強度對凝膠基柔性應變傳感器也會產生重大的影響，強度是反映材料抵抗外部荷載的重要力學參數，聚合物網絡堆砌密度被液體分散相稀釋、聚合物網絡分布不均勻、液體分散相對聚合物鏈間或內部超分子相互作用的屏蔽效應等導致了凝膠的強度較其它材料低，若低強度的導電凝膠應用于應變傳感器時則大概率會造成凝膠在使用過程中的破損，因為其抵抗外界載荷的能力低；凝膠的力學滯后是由于凝膠在形變過程中有聚合物網絡的共價鍵或超分子相互作用被破壞導致凝膠在卸載過程中的應力顯著減小，在每一次加載-卸載的循環過程中所破壞的結構都導致凝膠材料的力學強度逐步弱化，所以顯著的力學滯后會導致傳感器的穩定性和強韌性下降。多篇文章報道了交聯、雙網絡、結晶等策略來增強導電水凝膠的力學性能，這些策略在提升導電凝膠強度的同時也會增大凝膠的模量，從而提升了該類導電凝膠作為應變傳感器所需要的驅動力，這對于應變傳感器的佩戴者來說是不利的。此外，經過這些策略進行力學增強的凝膠在加載-卸載過程中會伴隨具有力學承載能力結構的破壞，導致力學滯后、強度下降和殘余應變，而這些力學表現均會對凝膠基應變傳感器性能產生負面的影響。據以上的分析，為了制備性能更為優異的凝膠基柔性應變傳感器，以獲得更加穩定、可靠和真實的電信號，優化凝膠材料的力學性能是十分重要的，尤其是制備低模量、高強度和低力學滯后的水凝膠襯底。

3、鑒于此，特提出本項發明。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明的目的在于提供一種高濃度鹽基導電凝膠及其制備方法與應用，其是一種依靠具有強水合能力的高濃度鹽溶液作為分散相的低模量、高強度和低力學滯后柔性導電水凝膠。

2、需要說明的是，本發明依靠具有強水合能力的高濃度鹽溶液作為分散相，提供一種高濃度鹽基導電凝膠。其是基于無機鹽在凝膠中電離形成的離子對水分子的強極化吸引結合能力，使得水凝膠分散相中的自由水分子被限域移動，且同時擠占了親水聚合物鏈的熱運動空間，增強了分子鏈間或內部的相互作用，最終實現了不依賴外加交聯劑的凝膠化和力學增強。

3、為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

4、第一方面，本發明依靠具有強水合能力的高濃度鹽溶液作為分散相，提供一種高濃度鹽基導電凝膠，按重量份數計，包括：

5、可聚合單體5～30份，熱引發劑0.1～2份，無機鹽10～70份，去離子水20～80份。

6、在可選的實施方式中，所述的可聚合單體至少選自丙烯酸、丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥丁酯中的一種。

7、在可選的實施方式中，所述的熱引發劑選自過硫酸鉀(k2s2o8)、過硫酸銨((nh4)2s2o8)、過硫酸鉀(k2s2o8)&亞硫酸鈉(na2so3)中的至少一種。

8、在可選的實施方式中，所述的無機鹽至少選自三氯化鐵(fecl3)、硝酸鐵(fe(no3)3)、硝酸鎂(mg(no3)3)、溴化鎂(mgbr2)中的一種。

9、第二方面，本發明提供一種高濃度鹽基導電凝膠的制備方法，所述方法具體包括如下步驟：

10、1)前驅體溶液的制備：按如權利要求1所述的高濃度鹽基導電凝膠的原料進行混合溶解，得到均一透明的前驅體溶液；

11、2)熱引發聚合：將所述均一透明的前驅體溶液置于熱環境中進行聚合反應，得到所述的高濃度鹽基導電凝膠。

12、在可選的實施方式中，所述的熱環境為熱水浴或熱空氣浴，溫度為30～70℃。

13、在可選的實施方式中，所述的熱引發聚合時間為0.5～12小時。

14、第三方面，本發明提供一種如上所述依靠具有強水合能力的高濃度鹽溶液作為分散相的低模量、高強度和低力學滯后柔性導電水凝膠在應變傳感器中的應用。

15、與現有技術相比，本發明的有益效果是：

16、1.傳統合成水凝膠在合成時需要添加交聯劑來使高分子鏈形成三維的聚合物網絡，而本發明提供的導電凝膠在制備過程中不需要加入交聯劑，即通過分散相中高濃度離子的水合能力來限域幾乎所有水分子的自由移動，使自由水分子的比例大幅下降，從而降低了聚合物分子鏈的自由移動空間，使聚合物連續相的密度增大，同時也增強了聚合物分子鏈間的相互作用，最終增強了導電凝膠的力學性能。

17、2.本發明借助水凝膠分散相中的高濃度離子的強水合能力使得合成的高分子鏈網絡在無需依賴交聯劑的前提下就能自發組裝形成固體凝膠，而且所制備的凝膠表現出適宜于柔性應變傳感器應用的力學性能，具體表現為：低模量力學特征提升了傳感器佩戴者的舒適性，同時降低了傳感器形變所需要的驅動力；高強度力學特征提升了傳感器對抗外界加載破壞的抵抗力；低力學滯后特征使得柔性應變傳感器能保證力學性能的穩定，同時確保了輸出電信號的完整性。

18、3.本發明的導電水凝膠分散相中的高濃度離子的強水合能力不僅使得線性的高分子鏈形成了固態的聚合物凝膠，而且這種特殊的離子強水合作用優化了導電凝膠的力學性能表現。此外，基于離子在電場下的遷移賦予了凝膠優異的離子導電性。

19、4.本發明依靠具有強水合能力的高濃度鹽溶液作為分散相的低模量、高強度和低力學滯后柔性導電水凝膠采用一鍋法制備得到，制備過程簡單、綠色環保和低能耗，同時所涉及的所有原料簡單易得。

20、5.本發明依靠具有強水合能力的高濃度鹽溶液作為分散相的低模量、高強度和低力學滯后柔性導電水凝膠的透明度高，易于觀察被柔性傳感器遮住的被檢測物的實時狀態。

21、6.因本發明依靠具有強水合能力的高濃度鹽溶液作為分散相的低模量、高強度和低力學滯后柔性導電水凝膠的合成原料不包括交聯劑，故本發明制得的凝膠易被回收循環利用。