导电水凝胶及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种导电水凝胶，所述导电水凝胶包括双网络结构：第一网络为物理交联的多糖网络；第二网络，为聚合物网络；其中，所述聚合物网络通过胶束进行交联。所述导电水凝胶具有高强度可拉伸性能和良好的应力应变传感性能，可用作各种柔性传感器件。

【技术实现步骤摘要】
导电水凝胶及其制备方法和应用
本申请涉及一种导电水凝胶及其制备方法和应用，属于高分子水凝胶领域。
技术介绍
近几年，柔性可拉伸器件被广泛的应用在电子皮肤和可植入器件等领域。传统的柔性可拉伸器件是基于弹性体混合物和导电填充物，但是，机械性能的不匹配、可能发生的电化学反应以及生物相容性等问题限制了传统柔性电子器件的应用。相较于聚合物弹性体，水凝胶因为其具有的高可拉伸性、生物相容性、可调节的强度以及韧性等优势在柔性电子器件领域引起广泛关注。导电水凝胶根据导电机理的不同大致可分三类，第一类是导电聚合物水凝胶，通过特定种类的导电聚合物合成水凝胶网络，例如聚苯胺、聚吡咯、PEDOT:PSS等；第二类是导电纳米材料水凝胶，将导电纳米材料引入水凝胶网络中，典型的有碳纳米管、石墨烯以及金属纳米颗粒；第三类是离子型导电水凝胶，将自由离子引入水凝胶网络当中，在电场的作用下，自由离子定向移动，形成电流。生物体组织内、神经元、肌肉以及细胞之间通过离子迁移达到信号传输的目的。离子型导电水凝胶因其信号传输机理与生物体组织的相似性，在生物相容的电子器件以及传感器等领域具有巨大的应用前景。但是现有的离子型导电水凝胶因为机械性能差，无法满足实际应用场景中复杂的应力情况，极大的限制了它的发展。因此，该领域迫切需要具有高强度可拉伸性能的离子型导电水凝胶。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供了导电水凝胶，所述导电水凝胶具有良好的应力应变传感性能，可用作各种柔性传感器件。所述导电水凝胶采用双网络结构，天然生物多糖形成物理交联网络作为双网络水凝胶的第一网络。端基官能化的嵌段共聚物因为疏水缔合作用，在水中自组装形成胶束，将胶束作为大分子交联剂交联单体，形成第二网络。为了进一步加强水凝胶的机械性能，单体中的羧基官能团与三价铁离子发生离子络合，从而进一步交联第二网络，如图1所示。该离子型导电水凝胶根据多糖含量以及金属离子浓度的差异，展现出不同的电学性能以及机械性能，例如强度、韧性、可拉伸性和耐疲劳特性，技术人员可根据实际应用场景在本申请所限定的范围内自主确定，如图3所示。所述导电水凝胶，其特征在于，所述导电水凝胶包括双网络结构：第一网络为物理交联的多糖网络；第二网络，为聚合物网络；其中，所述聚合物网络通过胶束进行交联。可选地，所述导电水凝胶中包括金属离子。可选地，所述金属离子与所述第二网络内的官能团形成离子络合。优选地，所述金属离子与形成所述聚合物网络的聚合单体的官能团形成离子络合。可选地，所述导电水凝胶中金属离子的浓度为0.01～0.1mol/L。可选地，所述导电水凝胶中多糖的浓度为1～3wt％。可选地，所述多糖为天然多糖。可选地，所述多糖选自选自卡拉胶、明胶、海藻酸钠、壳聚糖中的至少一种。可选地，所述金属离子为碱性金属离子。优选地，所述金属离子选自铁离子、钙离子、铜离子、锌离子、锰离子中的至少一种。可选地，所述胶束由包含端基官能化的嵌段共聚物自组装形成。可选地，所述嵌段共聚物选自丙烯酰化PluronicF127。本领域技术人员可根据实际需要，选择合适的导电水凝胶组成材料。根据本申请的又一个方面，提供了导电水凝胶的制备方法，克服传统导电水凝胶机械性能较弱，难以在实际生活场景中应用的局限性，制备得到了具有高强度可拉伸性能的导电水凝胶。所述导电水凝胶采用双网络结构，天然生物多糖形成物理交联网络作为双网络水凝胶的第一网络。端基官能化的嵌段共聚物因为疏水缔合作用，在水中自组装形成胶束，将胶束作为大分子交联剂交联单体，形成第二网络。将制备的水凝胶浸泡在碱性金属离子溶液当中，单体中的羧基官能团与三价铁离子发生离子络合，从而进一步交联第二网络，进一步加强水凝胶的机械性能。多余的金属离子可在水凝胶网络内自由迁移，拉伸变形可改变离子迁移的路径，改变水凝胶的电阻，这赋予导电水凝胶良好的离子导电性能以及应力应变传感性能。所述导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：(1)获得胶束溶液；(2)将含有多糖、单体的原料加入到步骤(1)中所述胶束溶液中，得到液体I；所述液体I经物理交联和聚合反应，得到所述导电水凝胶。可选地，步骤(1)中所述胶束溶液的获得方式包括：在无氧环境下将嵌段共聚物放入水中，得到胶束溶液。可选地，所述方法还包括将助剂加入到步骤(1)中所述胶束溶液中，所述助剂用于促进多糖双螺旋化。可选地，所述助剂选自氯化钾、氯化铷、氯化钙中的至少一种。优选地，所述无氧环境包括氮气气氛、二氧化碳气氛、惰性气体气氛中的至少一种。优选地，所述惰性气体气氛为氩气气氛。可选地，步骤(2)中所述物理交联的方式包括低温冷却或离子作用。本申请中，“离子作用”，是指助剂中的金属离子与卡拉胶相互作用，促进多糖单螺旋向双螺旋的转变，并由此引发双螺旋的聚集形成凝胶。可选地，步骤(2)中所述原料中包含引发剂。可选地，所述聚合反应的引发方式包括：光引发、热引发、高能辐射引发或电解引发。可选地，所述单体中含有双键。优选地，所述单体中含有双键和羧基。进一步优选地，所述单体选自丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、丁烯酸、顺丁基二酸中的至少一种。可选地，所述低温冷却的条件为2～5℃保持至少30分钟。优选地，所述低温冷却的条件为4℃保持至少30分钟。优选地，步骤(2)中所述引发剂为自由基引发剂。可选地，所述方法还包括：将聚合反应得到的凝胶浸泡于含有金属离子的溶液中进行离子络合。优选地，所述离子络合之后去除多余的金属离子。可选地，将聚合反应得到的凝胶浸泡于含有金属离子的溶液中的时间至少为3h。可选地，将得到的所述导电水凝胶浸泡在去离子水中，移除多余的金属离子。可选地，浸泡在去离子水中的时间可根据实际需求而定。可选地，所述方法中，各组分的浓度为：所述液体I中单体的浓度为16～20wt％；所述液体I中嵌段共聚物的量为单体的0.04～0.06mol％；所述液体I中引发剂的量为单体的0.5～1％。根据本申请的再一个方面，提供了上述导电水凝胶、上述方法制备得到的导电水凝胶中的至少一种在柔性传感器中的应用。优选地，所述柔性传感器可用于包括肢体运动监测、应力应变分布监测等相关领域。本申请能产生的有益效果包括：1)本申请所提供的导电水凝胶，具有出色的机械性能和抗疲劳以及自我恢复性能。2)本申请所提供的导电水凝胶，具有优良的离子导电性能，并且具有高灵敏度的应力应变传感性能，能够承受在高应力下工作时保证导电水凝胶结构不被破坏。3)本申请所提供的导电水凝胶，具有优良的生物相同性。4)本申请所提供的导电水凝胶的制备方法，可根据实际情况的需要主观控制水凝胶的相应地性能。附图说明图1为本申请一种实施方式中导电水凝胶的示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.导电水凝胶，其特征在于，所述导电水凝胶包括双网络结构：/n第一网络为物理交联的多糖网络；/n第二网络为聚合物网络；/n其中，所述聚合物网络通过胶束进行交联。/n

【技术特征摘要】
1.导电水凝胶，其特征在于，所述导电水凝胶包括双网络结构：
第一网络为物理交联的多糖网络；
第二网络为聚合物网络；
其中，所述聚合物网络通过胶束进行交联。


2.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于，所述导电水凝胶中包括金属离子；
所述金属离子与所述第二网络内的官能团形成离子络合；
优选地，所述金属离子与形成所述聚合物网络的聚合单体的官能团形成离子络合。


3.根据权利要求2所述的导电水凝胶，其特征在于，所述导电水凝胶中金属离子的浓度为0.01～0.1mol/L；
所述导电水凝胶中多糖的浓度为1～3wt％。


4.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于，所述多糖为天然多糖；
优选地，所述多糖选自选自卡拉胶、明胶、海藻酸钠、壳聚糖中的至少一种；
所述金属离子为碱性金属离子；
优选地，所述金属离子选自铁离子、钙离子、铜离子、锌离子、锰离子中的至少一种；
所述胶束由包含端基官能化的嵌段共聚物自组装形成。


5.权利要求1-4中任一项所述的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
(1)获得胶束溶液；
(2)将含有多糖、单体的原料加入到步骤(1)中所述胶束溶液中，得到液体I；所述液体I经物理交联和聚合反应，得到所述导电水凝胶。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述胶束溶液的获得方式包括：
在无氧环境下将嵌段共...

【专利技术属性】
技术研发人员：周林杰，徐婷，裴欣洁，付俊，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33