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一种柔性水凝胶材料的制备方法技术

技术编号:20349651 阅读:45 留言:0更新日期:2019-02-16 11:30
本发明专利技术提供了一种柔性水凝胶材料的制备方法。在本发明专利技术中,在第一冷冻‑解冻处理过程中,聚乙烯醇与水凝胶增韧剂会进行物理交联,形成具有三维网络结构的导电水凝胶;通过静电纺丝方法将氧化石墨烯与所述导电水凝胶结合,形成导电‑电致发热水凝胶;溶胶态混合物料是作为电致变形材料,在第二冷冻‑解冻处理处理过程中,所述导电‑电致发热水凝胶会与所述溶胶态混合物料进行物理交联,从而相互结合到一起,最终形成柔性水凝胶材料。本发明专利技术提供的柔性水凝胶材料的机械强度高,能够在温和条件下实现电致动及可循环制动,可用于电器柔性元件的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性水凝胶材料的制备方法
本专利技术涉及变形元件
,具体涉及一种柔性水凝胶材料的制备方法。
技术介绍
水凝胶是通过化学或物理交联而形成的含有大量水的三维网络结构材料。基于可逆水膨胀/消溶聚合物网络,水凝胶致动器在温度、光线、电场、近红外等的刺激下实现由局部或整体网络结构变化引起的形状尺寸变化。弯曲、收缩和运动等功能型水凝胶致动器扩大了其在医学生物学和仿生机器人等各个领域的应用。电致伸缩电介质弹性体,由于其具有吸引人的特性,例如大的机电应变(高于50%)、快速响应(小于毫秒)、高功率质量比(高于0.1J·g-1)、易于处理和经济实惠,成为制备下一代紧凑型致动器、传感器、人造肌肉和微型机器人的潜在智能材料。然而,与其它电活性材料(如碳纳米管、离子聚合物-金属复合材料和导电聚合物)不同,电致伸缩电介质弹性体类材料仅在高电场(高于50V·mm-1)时表现出较大的驱动力,给其实际应用带来较大障碍。基于其在单纯电致伸缩条件下有一定的限制,可通过电致热敏导致其发生伸缩的方法来改善其不足,使其在较低的电场下就可以很容易发生伸缩形变,在实际应用中更加简单方便。但是,目前涉及电致动水凝胶材料的研究较少,且现有研究中相关电致动水凝胶材料普遍存在机械强度低、电致动条件要求苛刻的问题。因此,强度高,且可以在温和条件下进行循环驱动是对电致动水凝胶材料的更高要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种柔性水凝胶材料的制备方法,采用本专利技术提供的柔性水凝胶材料机械强度高,能够在温和条件下实现电致动及可循环制动。为了实现上述专利技术目的,本专利技术提供以下技术方案:本专利技术提供了一种柔性水凝胶材料的制备方法,包括以下步骤:将聚乙烯醇、水凝胶增韧剂和水混合后进行第一冷冻-解冻处理,得到导电水凝胶;将氧化石墨烯的聚乙烯醇-水分散液作为纺丝溶液进行静电纺丝,在所述导电水凝胶的单面形成氧化石墨烯薄膜,得到导电-电致发热水凝胶;将羧甲基纤维素钠、C=C双键型单体、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、N,N,N',N'-四甲基乙二胺和引发剂混合后进行成胶处理,得到溶胶态混合物料;将所述导电-电致发热水凝胶放置于所述溶胶态混合物料上,其中,所述导电-电致发热水凝胶中氧化石墨烯薄膜与所述溶胶态混合物料接触,然后进行第二冷冻-解冻处理,得到柔性水凝胶材料。优选地,所述水凝胶增韧剂包括海藻酸钠、壳聚糖、琼脂或羧甲基纤维素。优选地,所述聚乙烯醇、水凝胶增韧剂和水的用量比为(0.5~1)g:(0.05~0.1)g:(5~10)mL。优选地,所述第一冷冻-解冻处理过程中,冷冻的温度为-15~-20℃,时间5~7h;解冻的温度为室温,时间为2~4h。优选地,所述氧化石墨烯的聚乙烯醇-水分散液中氧化石墨烯的质量浓度为9~30%,聚乙烯醇的质量浓度为3~10%。优选地,所述静电纺丝的操作参数包括:电压为22kV,接收距离为10~20cm,纺丝速度为0.02~0.04mL/min,纺丝时间为2~3h。优选地,所述C=C双键型单体包括丙烯酸、丙烯酰胺或N-异丙基丙烯酰胺。优选地,所述C=C双键型单体、引发剂和N,N,N',N'-四甲基乙二胺的摩尔比为100:(0.12~0.43):(0.06~0.21);所述羧甲基纤维素钠的质量为C=C双键型单体质量的0.5~20%,所述N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量为C=C双键型单体质量的2~5%。优选地,所述第二冷冻-解冻处理过程中,冷冻的温度为-15~-20℃,时间5~7h;解冻的温度为室温,时间为5~10h。本专利技术提供了一种柔性水凝胶材料的制备方法,将聚乙烯醇、水凝胶增韧剂和水混合后进行第一冷冻-解冻处理,得到导电水凝胶;将氧化石墨烯的聚乙烯醇-水分散液作为纺丝溶液进行静电纺丝,在所述导电水凝胶的单面形成氧化石墨烯薄膜,得到导电-电致发热水凝胶;将羧甲基纤维素钠、C=C双键型单体、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、N,N,N',N'-四甲基乙二胺和引发剂混合后进行成胶处理,得到溶胶态混合物料;将所述导电-电致发热水凝胶放置于所述溶胶态混合物料上,其中,所述导电-电致发热水凝胶中氧化石墨烯薄膜与所述溶胶态混合物料接触,然后进行第二冷冻-解冻处理,得到柔性水凝胶材料。在本专利技术中,在所述第一冷冻-解冻处理过程中,所述聚乙烯醇与水凝胶增韧剂会进行物理交联,形成具有三维网络结构的导电水凝胶;通过静电纺丝方法将氧化石墨烯与所述导电水凝胶结合,形成导电-电致发热水凝胶;所述溶胶态混合物料是作为电致变形材料,在所述第二冷冻-解冻处理处理过程中,所述导电-电致发热水凝胶会与所述溶胶态混合物料进行物理交联,从而相互结合到一起,最终形成柔性水凝胶材料。在本专利技术中,所述柔性水凝胶材料的组成和结构可控,宏观上表现为两层结构,分别为导电-电致发热层和电致变形层,但实际上经冷冻-解冻处理,这两层结构是通过物理交联结合到一起,所述导电-电致发热层能够导电且发热,其中,氧化石墨烯在电流作用下能够发热进而导致所述电致变形层发生形变。因此,本专利技术提供的柔性水凝胶材料通过氧化石墨烯实现了其在温和电致动条件下发生伸缩形变的目的,且所述柔性水凝胶材料的机械强度高、韧性好,能够在温和条件下实现可循环制动,可用于电器柔性元件的制备。附图说明图1为实施例1制备的柔性水凝胶材料中导电-电致发热层和电致变形层的SEM图;图2为实施例1制备的柔性水凝胶材料中导电-电致发热层和电致变形层界面处的SEM图;图3为实施例1制备的柔性水凝胶材料的弯曲过程电流图;图4为实施例1制备的柔性水凝胶材料的导电性能图;图5为实施例1制备的柔性水凝胶材料在不同测试时间条件下的弯曲程度图;图6为实施例1制备的柔性水凝胶材料的应力-应变变化图。具体实施方式本专利技术提供了一种柔性水凝胶材料的制备方法,包括以下步骤:将聚乙烯醇、水凝胶增韧剂和水混合后进行第一冷冻-解冻处理,得到导电水凝胶;将氧化石墨烯的聚乙烯醇-水分散液作为纺丝溶液进行静电纺丝,在所述导电水凝胶的单面形成氧化石墨烯薄膜,得到导电-电致发热水凝胶;将羧甲基纤维素钠、C=C双键型单体、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、N,N,N',N'-四甲基乙二胺和引发剂混合后进行成胶处理,得到溶胶态混合物料;将所述导电-电致发热水凝胶放置于所述溶胶态混合物料上,其中,所述导电-电致发热水凝胶中氧化石墨烯薄膜与所述溶胶态混合物料接触,然后进行第二冷冻-解冻处理,得到柔性水凝胶材料。本专利技术将聚乙烯醇、水凝胶增韧剂和水混合后进行第一冷冻-解冻处理,得到导电水凝胶。在本专利技术中,所述聚乙烯醇(PVA)、水凝胶增韧剂和水的用量比优选为(0.5~1)g:(0.05~0.1)g:(5~10)mL。在本专利技术中,所述水凝胶增韧剂优选包括海藻酸钠、壳聚糖、琼脂或羧甲基纤维素。为了更直观的看到本专利技术提供的柔性水凝胶材料的结构,本专利技术优选在聚乙烯醇、水凝胶增韧剂和水的混合物中添加染料;本专利技术对于所述染料的种类以及加入量没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的染料、能够与后续制备的结构形成颜色区分即可。在本专利技术中,所述染料优选包括甲基蓝、甲基橙或刚果红;所述染料与所述聚乙烯醇的质量比优选为(0.02~0.04):(0.5~1)。在本专利技术中,所述染料优选以染料溶液的形式使用,具体的,是将染料溶液与聚乙烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性水凝胶材料的制备方法,包括以下步骤:将聚乙烯醇、水凝胶增韧剂和水混合后进行第一冷冻‑解冻处理,得到导电水凝胶;将氧化石墨烯的聚乙烯醇‑水分散液作为纺丝溶液进行静电纺丝,在所述导电水凝胶的单面形成氧化石墨烯薄膜,得到导电‑电致发热水凝胶;将羧甲基纤维素钠、C=C双键型单体、N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺、N,N,N',N'‑四甲基乙二胺和引发剂混合后进行成胶处理,得到溶胶态混合物料;将所述导电‑电致发热水凝胶放置于所述溶胶态混合物料上,其中,所述导电‑电致发热水凝胶中氧化石墨烯薄膜与所述溶胶态混合物料接触,然后进行第二冷冻‑解冻处理,得到柔性水凝胶材料。

【技术特征摘要】
1.一种柔性水凝胶材料的制备方法,包括以下步骤:将聚乙烯醇、水凝胶增韧剂和水混合后进行第一冷冻-解冻处理,得到导电水凝胶;将氧化石墨烯的聚乙烯醇-水分散液作为纺丝溶液进行静电纺丝,在所述导电水凝胶的单面形成氧化石墨烯薄膜,得到导电-电致发热水凝胶;将羧甲基纤维素钠、C=C双键型单体、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、N,N,N',N'-四甲基乙二胺和引发剂混合后进行成胶处理,得到溶胶态混合物料;将所述导电-电致发热水凝胶放置于所述溶胶态混合物料上,其中,所述导电-电致发热水凝胶中氧化石墨烯薄膜与所述溶胶态混合物料接触,然后进行第二冷冻-解冻处理,得到柔性水凝胶材料。2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述水凝胶增韧剂包括海藻酸钠、壳聚糖、琼脂或羧甲基纤维素。3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述聚乙烯醇、水凝胶增韧剂和水的用量比为(0.5~1)g:(0.05~0.1)g:(5~10)mL。4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述第一冷冻-解冻处理过程中,冷冻的温度为-15~-20℃,时间5~7h...

【专利技术属性】
技术研发人员:李秋荣迟宏进冯双将王淑雪
申请(专利权)人:燕山大学
类型:发明
国别省市:河北,13

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