一种自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将4‐乙烯基吡啶溶于丙酮溶液中，然后将1，3‐丙磺酸内酯溶于丙酮后在0‐30℃、氮气保护下慢慢滴加到4‐乙烯基吡啶的丙酮溶液中；滴加完后，搅拌反应3‐5天；反应完全后，过滤，滤饼用丙酮洗涤；然后真空干燥，得到3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐；(2)将3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐与对苯乙烯磺酸钠、2‐丙烯酰胺‐2‐甲基丙磺酸或丙烯酸溶于水中，然后加入交联剂与光引发剂，在紫外光照射下引发聚合，即得水凝胶。本发明专利技术的聚离子液体凝胶表现出优异的电化学性能，具有很高的离子导电率，室温下高达1.53Sm‐1，并且机械性能优异，电化学性能在不同形变下都能保持稳定。

Method for preparing hydrogel with high self repairing ability and high electric conductivity

The present invention relates to preparation of high hydrogel a self repairing ability and conductivity of preparation method, which comprises the following steps: (1) 4 - vinyl pyridine soluble in acetone solution, and then the 1, 3 - propanesultone dissolved in acetone after acetone solution at 0 - 30 DEG C, under the protection of nitrogen slowly drops add 4 - vinyl pyridine; dropping after stirring for 3 - 5 days; after the reaction, filtration, filter cake washing with acetone; and vacuum drying, 3 - (4 - - 1 - vinyl pyridine) propane sulfonate; (2) 3 - (4 - ethylene base - 1 - pyridine) propane sulfonic acid salt and sodium p-styrene sulfonate, 2 - acrylamide - 2 - methyl propane sulfonic acid or acrylic acid is dissolved in water, then adding a crosslinking agent and initiator, polymerization under UV irradiation, the hydrogel. Poly ionic liquid gel of the invention exhibit excellent electrochemical performance, with ionic conductivity at room temperature is very high, up to 1.53Sm - 1, and excellent mechanical properties, electrochemical performance can keep stable in different deformation under.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水凝胶，具体是一种自修复能力强、导电率高水凝胶的制备方法。
技术介绍
近些年以来，弹性电子设备由于其广阔的应用前景及优异的性能而受到广泛的关注，例如：可穿戴电子设备、智能移动设备以及可植入生物传感器等。与传统的电子设备相比，弹性电子设备具有便携、轻、可弯曲、可穿戴甚至可植入等优点。作为弹性电子设备的重要组成部分，高性能的弹性储能与转换设备的需求也不断增长，相关研究已取得了一定进展，包括超级电容器、锂离子电池、太阳能电池以及燃料电池。在实际应用中，这些弹性储能与转换设备的每一个组成部分都必须具有机械稳定性以及高弹性；同时还需具有优异的电化学性能，如高电导率、电化学稳定等。尽管科学家们做出了巨大的努力并取得了一些令人激动的成果，但弹性电子设备的发展仍然处于初级阶段，制造出理想的弹性设备依旧很困难。离子液体具有更高的导电率，更宽的电化学窗口；同时兼具不可燃、不挥发、无毒、对环境无污染等优点而被广泛应用在很多领域。例如剑桥大学的DiWei课题组就曾制备了基于离子液体的弹性超级电容器并在室温下表现出超高的电容(244Fg‐1)。然而由于离子液体的液体属性而引起的泄露、不易操作等问题限制了离子液体的实际应用。作为离子液体的一个分支，聚离子液体能够维持离子液体优异的物理化学性能的同时具有聚合物优良的机械性能，能够克服离子液体机械性能差以及易泄露的缺陷。近些年，有关高强度水凝胶的研究受到广泛关注，并已取得巨大进展。研究表明：强弱交联结合而形成的双网络结构可以显著提高凝胶的机械性能，例如中国科学院兰州化学物理研究所周峰课题组通过结合共价交联与配位交联制备出一类具有超高机械强度的水凝胶。宫剑萍课题组证明了含有离子键的聚电解质水凝胶也表现出优异的机械性能。到目前为止，大多数聚离子液体凝胶机械性能很差，不能应用于弹性设备中。因此，制备出具有导电率高、机械性能优异以及电化学性能稳定的聚离子液体凝胶具有重要意义。中国专利文件CN101475663A(申请号：200910066474.5)公开了原位聚合制备离子液体型凝胶聚合物电解质的方法。采用丙烯腈和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为单体,碳酸乙烯酯为有机增塑剂,偶氮二异丁氰为引发剂,高氯酸锂作为锂盐,并加入离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为电解质的组分,采用自由基引发,原位聚合的方式制备稳定的离子液体型凝胶聚合物电解质。但该专利文件并未对其机械性能进行表征，且所用聚合方法耗时较长。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法。本专利技术利用两性离子液体3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)与对苯乙烯磺酸钠(NaSS)、2‐丙烯酰胺‐2‐甲基丙磺酸(AMPS)或丙烯酸(AAC)分子之间的静电相互作用，构筑出阴阳离子均可聚合的离子液体。采用光引发聚合后，聚离子液体链之间或链内存在很强的静电相互作用，形成双网络结构，因而本专利技术的聚离子液体凝胶表现出优异的机械性能，此外还兼具离子导电率高、活化能低等良好的电化学性能。本专利技术的技术方案如下：一种自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)的合成将4‐乙烯基吡啶溶于丙酮溶液中，然后将1，3‐丙磺酸内酯溶于丙酮后在0‐30℃、氮气保护下慢慢滴加到4‐乙烯基吡啶的丙酮溶液中；滴加完后，搅拌反应3‐5天；反应完全后，过滤，滤饼用丙酮洗涤；然后真空干燥，即得3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)；该3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)盐为白色固体属于两性盐，用1HNMR(400M，D2O)进行纯度表征。(2)聚离子液体水凝胶的合成将3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)与对苯乙烯磺酸钠(NaSS)、2‐丙烯酰胺‐2‐甲基丙磺酸(AMPS)或丙烯酸(AAC)溶于水中，然后加入交联剂与光引发剂，在紫外光照射下引发聚合，即得水凝胶。该水凝胶为聚离子液体水凝胶。根据本专利技术，优选的，步骤(1)中4‐乙烯基吡啶与1，3‐丙磺酸内酯的摩尔比为1：(1‐1.5)，滴加温度为0‐25℃，滴加速率为2‐5秒/每滴；优选的，反应温度为0‐10℃，反应时间为5天。根据本专利技术，优选的，步骤(2)中3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)与对苯乙烯磺酸钠(NaSS)、2‐丙烯酰胺‐2‐甲基丙磺酸(AMPS)或丙烯酸(AAC)的摩尔比为1:1；优选的，所述的交联剂为N,N‐亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)与交联剂的摩尔比为1：(0.5％‐2％)；优选的，所述的光引发剂为光引发剂1173(2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，简称HMPF)，光引发剂含量为含不饱和键分子质量之和的2‐4％。优选的，紫外光的波长为365nm；优选的，聚合反应时间为1h。根据本专利技术，优选的，将制得的水凝胶冷冻干燥，除去水分，即得到相应的气凝胶。可进行结构表征。本专利技术为详尽说明的，均按本领域现有技术。离子液体是由有机阳离子与阴离子通过离子键结合而形成的，根据研究，将离子液体的阴阳离子都聚合而得到的聚离子液体凝胶具有非常好的机械性能，因为这类凝胶同时包含了强弱交联(共价交联与离子交联)。而且这类凝胶也具有离子液体的物理化学性质，比如导电率高、电化学窗口宽等。因此这类新型的聚离子液体凝胶电解质将在弹性电子设备领域有非常广阔的应用前景。本专利技术的原理和有益效果如下：本专利技术首次采用了阴阳离子均可聚合的离子液体，制备了聚离子液体水凝胶。由于阴阳离子都已发生聚合，聚离子液体链内或者链之间就有很强的静电相互作用，因而形成了双网络结构。这种双网络结构使得这类聚离子液体凝胶具有良好的机械性能，在拉伸、压缩、弯曲等条件下都能保持稳定，同时还具有良好的自恢复性能。此外，这类新型聚离子液体凝胶表现出优异的电化学性能，具有很高的离子导电率，室温下高达1.53Sm‐1，并且其电化学性能在不同形变下都能保持稳定。通过FT‐IR、SEM、DSC、拉伸‐压缩试验以及交流阻抗等手段详细表征了其微观结构、形成机理、热稳定性、机械性能以及电化学性能。本专利技术的高强度、高性能的弹性聚离子液体水凝胶可用于柔性电子设备并具有良好的前景。附图说明图1为实施例1中离子液体ZIW‐NaSS在聚合前后的红外光谱图。图2为实施例1制得的聚离子液体水凝胶ZIW‐NaSS的SEM照片。图3为实施例1‐3制得的三种聚离子液体水凝胶的热性能表征图。图4为实施例1、4‐6中制得的聚离子液体水凝胶的应力应变曲线。图5为实施例5中制得的聚离子液体水凝胶的连续压缩‐恢复曲线。图6为实施例1、7‐9制得的不同含量的聚离子液体水凝胶的离子导电率的阿伦乌尼斯曲线，即聚离子液体水凝胶ZIW‐NaSS的导电率随温度变化的曲线。图7为实施例8中制得的聚离子液体水凝胶在不同弯曲角度下的离子导电率变化曲线。图8为实施例8中制得的聚离子液体水凝胶在不同弯曲次数下的离子导电率变化曲线。具体实施方式下面通过具体实施例并结合附图对本专利技术作进一步说明，但不限于此。实施例中所用原料均为常规市购产品。实施例1一种自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)3‐(4‐乙烯基‐1‐吡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)的合成将4‐乙烯基吡啶溶于丙酮溶液中，然后将1，3‐丙磺酸内酯溶于丙酮后在0‐30℃、氮气保护下慢慢滴加到4‐乙烯基吡啶的丙酮溶液中；滴加完后，搅拌反应3‐5天；反应完全后，过滤，滤饼用丙酮洗涤；然后真空干燥，即得3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)；(2)聚离子液体水凝胶的合成将3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)与对苯乙烯磺酸钠(NaSS)、2‐丙烯酰胺‐2‐甲基丙磺酸(AMPS)或丙烯酸(AAC)溶于水中，然后加入交联剂与光引发剂，在紫外光照射下引发聚合，即得水凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)的合成将4‐乙烯基吡啶溶于丙酮溶液中，然后将1，3‐丙磺酸内酯溶于丙酮后在0‐30℃、氮气保护下慢慢滴加到4‐乙烯基吡啶的丙酮溶液中；滴加完后，搅拌反应3‐5天；反应完全后，过滤，滤饼用丙酮洗涤；然后真空干燥，即得3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)；(2)聚离子液体水凝胶的合成将3‐(4‐乙烯基‐1‐吡啶)丙磺酸盐(ZIW)与对苯乙烯磺酸钠(NaSS)、2‐丙烯酰胺‐2‐甲基丙磺酸(AMPS)或丙烯酸(AAC)溶于水中，然后加入交联剂与光引发剂，在紫外光照射下引发聚合，即得水凝胶。2.根据权利要求1所述的自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中4‐乙烯基吡啶与1，3‐丙磺酸内酯的摩尔比为1：(1‐1.5)。3.根据权利要求1所述的自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中1，3‐丙磺酸内酯的丙酮溶液的滴加温度为0‐25℃，滴加速率为2‐5秒/每滴。4.根据权利要求1所述的自修复能力强和导电率高水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑利强，乔宣宣，周涛，孙娜，高新培，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37