导电丝素材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种导电丝素材料的制备方法，主要包括步骤：(1)高分子量丝素蛋白溶液的制备；(2)不溶性丝素蛋白材料的制备；(3)丝素蛋白材料的表面处理；(4)丝素蛋白材料的氧化；(5)3,4‑乙烯二氧噻吩在接枝改性后的丝素蛋白材料表面进行原位氧化聚合。本发明专利技术可制得表面接枝了3,4‑乙烯二氧噻吩的导电复合膜，其表面电阻为100欧姆‑5000欧姆，制备过程简便温和，得到的导电丝素材料可作为柔性电子器件，特别是可用作测量人体血糖和心跳的器件。

Conductive silk material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
导电丝素材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及导电材料，尤其涉及一种导电丝素材料及其制备方法和应用。
技术介绍
丝素蛋白可以作为生物医学应用的材料，因为它具有优异的生物相容性，高表面质量比，良好的机械性能以及较好的成形能力，以及良好的生物相容性和缓慢的生物降解性，具有很大的应用潜力。相较于传统导电材料(无机半导体材料、金属材料)，新兴发展的导电高聚物兼具高分子材料和导电材料的特点，具有更佳生物相容性及柔性，使用导电高聚物对丝素蛋白材料进行导电改性吸引了很多学者的关注。导电丝素膜作为一类新颖的功能材料，具有独特的物理化学性质，因能对外部的特定刺激产生响应而具有一定的智能性。导电丝素膜在功能性记忆，传感器，电子器械等领域具有潜在的应用前景。聚吡咯作为研究最为广泛的导电高分子，已有大量应用于丝素蛋白的改性工作，包括对真丝纤维、面料的改性以及对再生丝素蛋白材料的原位氧化聚合(孙东豪.聚吡咯/丝素导电复合材料的制备及特性[J].丝绸,2009(04):22-25.)及电化学聚合(聂铭,黄丰,王珍高,付如民,宁成云.聚吡咯/聚多巴胺的电化学合成及其对铝合金耐蚀性的影响[J].复合材料学报,2019,36(10):2364-2370)等不同聚合方法的改性。采用聚苯胺作为导电高分子的，用在羊毛、涤纶以及丝素蛋白改性工作中同样已有报道，包括对涤纶、羊毛等织物以及对丝素蛋白的原位氧化聚合(李晓茹.湿法纺制丝素蛋白/聚苯胺导电柔性长丝[J].纺织科学与工程学报,2019,36(01):120-124+170.)以及电化学聚合(张悦.聚苯胺纳米纤维的电化学快速合成与应用研究[D].武汉理工大学,2014)聚3,4-乙烯二氧噻吩是一种新型的导电高分子，属于聚噻吩的一种，由于其自身独特的环氧结构使其拥有较高电导率的同时拥有比较好的稳定性，关于对聚3,4-乙烯二氧噻吩与蚕丝等织物的复合，目前报道的主要是物理涂浸法(汪大峰，吸附聚合法制备导电真丝及其性能研究[D].苏州大学,2010；汪大峰,邢铁玲,陈国强.3,4-乙烯二氧噻吩改性真丝的制备及其导电性能的研究[J].印染助剂,2010,27(07):13-15)。但是，目前尚未见到有关于聚3,4-乙烯二氧噻吩系列导电高聚物对丝素蛋白进行原位化学导电聚合改性的工艺方法。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种导电丝素材料及其制备方法和应用，本专利技术采用原位化学改性法，使3,4-乙烯二氧噻吩在二氧化锰的作用下在丝素蛋白材料表面原位聚合，所制备的导电丝素材料具有良好的导电性和生物相容性。本专利技术的一种导电丝素材料的制备方法，包括以下步骤：(1)不溶性丝素蛋白材料的制备：将丝素蛋白水溶液与小分子一元醇混匀后成型，得到三维立体状且不溶于水的丝素蛋白材料，其中，丝素蛋白水溶液中，丝素蛋白的浓度为30-70mg/mL，丝素蛋白的分子量为8000-14000Da，丝素蛋白与小分子一元醇的质量比为100-1000:1；(2)丝素蛋白材料的表面处理：将丝素蛋白材料浸入pH＞14的强碱水溶液中，处理0.1-5秒后取出，再浸入0.1-1mol/L的还原性弱酸和/或还原性弱酸盐的水溶液中处理1-10分钟；(3)丝素蛋白材料的表面氧化：将经步骤(2)处理后的丝素蛋白材料于15-30℃浸入0.1-1mol/L(优选为0.3-0.6mol/L)高锰酸钾水溶液中，处理10分钟以下，得到表面氧化后的丝素蛋白材料；(4)丝素蛋白材料表面的原位氧化聚合：将表面氧化后的丝素蛋白材料浸入过氧化物水溶液中，然后向其中加入3,4-乙烯二氧噻吩并在20-30℃下反应，以使得3,4-乙烯二氧噻吩在丝素蛋白材料表面发生聚合，反应完全后得到导电丝素材料。进一步地，在步骤(1)中，小分子一元醇为甲醇、乙醇和丙醇中的一种或几种。进一步地，在步骤(1)中，丝素蛋白水溶液中含有高分子了的丝素蛋白，其制备方法包括以下步骤：将新鲜蚕茧取出蚕蛹后，以1：100的浴比加入pH＝9-9.5的NaHCO3/Na2CO3缓冲溶液中，在微沸状态下处理30min后洗净后，再重复上述操作3次；然后洗净烘干，得到脱胶蚕丝。将脱胶蚕丝以浴比为15：100加入65±2℃的9.3mol/L溴化锂水溶液中溶解。溶解获得的溶液充分冷却后，用纤维素透析膜(8000-14000Da)在去离子水中透析3天获得丝素蛋白水溶液。进一步地，在步骤(1)中，在模具中浇注成型，并在室温下成型。由于丝素蛋白具有一定的可塑能力，不会局限于某种宏观的形状，改变成型模具的形状，理论上能够成型为任何形状。进一步地，在步骤(2)中，强碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾。进一步地，在步骤(2)中，还原性弱酸和/或还原性弱酸盐的水溶液的pH值为4-6。进一步地，在步骤(2)中，还原性弱酸为亚硫酸和/或甲酸；还原性弱酸盐为亚硫酸氢钠和/或亚硫酸氢钾。进一步地，在步骤(4)中，过氧化物为过硫酸铵、过硼酸钠、过硼酸钾、过硫酸钠和过硫酸钾中的一种或几种，过氧化物水溶液浓度为0.1-0.5mol/L。进一步地，在步骤(4)中，3,4-乙烯二氧噻吩的浓度为0.1-0.5mol/L。进一步地，在步骤(1)中，三维立体状且不溶于水的丝素蛋白材料呈平面膜状，步骤(4)所制成的导电丝素材料同样呈平面膜状。进一步地，在步骤(4)中，在振荡条件下反应1-10h。进一步地，在步骤(4)中，反应完全后还包括将得到的导电丝素材料在去离子水中超声清洗1-5分钟，并在室温下干燥24h以上的步骤。本专利技术还提供了一种采用上述制备方法所制备的导电丝素材料，包括三维立体状且不溶于水的丝素蛋白材料及接枝于丝素蛋白材料表面的导电层，导电层包括聚3,4-乙烯二氧噻吩，导电丝素材料的表面方阻为100欧姆-5000欧姆。进一步地，导电丝素材料呈平面膜状。本专利技术还公开了上述方法制备的导电丝素材料作为柔性电子器件的应用。进一步地，该柔性电子器件用于检测人体血糖水平和心跳。本专利技术中，以膜状的导电丝素材料为例，导电丝素材料的制备原理如下：将少量一元醇与丝素蛋白溶液共混塑化而形成的不溶于水的丝素蛋白膜，并将丝素蛋白膜用强碱溶液进行活化处理，然后浸入还原性弱酸和/或还原性弱酸盐中快速去除丝素蛋白膜表面的氢氧化钠等碱性物质，并形成还原性的表面。强碱活化的目的是为了破坏丝素蛋白膜表面结晶层，使得表面氨基、羟基等还原性基团暴露在丝素蛋白膜表面。然后用高锰酸钾溶液处理，使得高锰酸钾能够氧化丝素蛋白膜表面氨基、羟基等还原性基团，在此过程中，高锰酸钾被还原成二氧化锰。二氧化锰结合在丝素蛋白膜的表面，形成纳米催化颗粒。随后在丝素蛋白膜表面进行表面催化氧化接枝。将氧化后的丝素蛋白膜置于3,4-乙烯二氧噻吩的水溶液中，由于3.4-乙烯二氧噻吩在过氧化物氧化剂的作用下失去电子，形成阳离子自由基，而丝素蛋白膜中的肽键(-CO-NH-)的氧和氮原子具有部分负电荷，因此基于静电力作用游离的3,4-乙烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导电丝素材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将丝素蛋白水溶液与小分子一元醇混匀后成型，得到三维立体状且不溶于水的丝素蛋白材料，其中，所述丝素蛋白水溶液中，丝素蛋白的浓度为30-70mg/mL，丝素蛋白的分子量为8000-14000Da，丝素蛋白与小分子一元醇的质量比为100-1000:1；/n(2)将所述丝素蛋白材料浸入pH＞14的强碱水溶液中，处理0.1-5秒后取出，再浸入0.1-1mol/L的还原性弱酸和/或还原性弱酸盐的水溶液中处理1-10分钟；/n(3)将经步骤(2)处理后的丝素蛋白材料于15-30℃下浸入0.1-1mol/L高锰酸钾水溶液中，处理10分钟以下，得到表面氧化后的丝素蛋白材料；/n(4)将表面氧化后的丝素蛋白材料浸入过氧化物水溶液中，然后向其中加入3,4-乙烯二氧噻吩并在20-30℃下反应，以使得3,4-乙烯二氧噻吩在丝素蛋白材料表面发生聚合，反应完全后得到所述导电丝素材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种导电丝素材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将丝素蛋白水溶液与小分子一元醇混匀后成型，得到三维立体状且不溶于水的丝素蛋白材料，其中，所述丝素蛋白水溶液中，丝素蛋白的浓度为30-70mg/mL，丝素蛋白的分子量为8000-14000Da，丝素蛋白与小分子一元醇的质量比为100-1000:1；
(2)将所述丝素蛋白材料浸入pH＞14的强碱水溶液中，处理0.1-5秒后取出，再浸入0.1-1mol/L的还原性弱酸和/或还原性弱酸盐的水溶液中处理1-10分钟；
(3)将经步骤(2)处理后的丝素蛋白材料于15-30℃下浸入0.1-1mol/L高锰酸钾水溶液中，处理10分钟以下，得到表面氧化后的丝素蛋白材料；
(4)将表面氧化后的丝素蛋白材料浸入过氧化物水溶液中，然后向其中加入3,4-乙烯二氧噻吩并在20-30℃下反应，以使得3,4-乙烯二氧噻吩在丝素蛋白材料表面发生聚合，反应完全后得到所述导电丝素材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述小分子一元醇为甲醇、乙醇和丙醇中的一种或几种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，强碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾。

<...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢铁玲，赵俊涛，卢神州，王义容，卢书晴，陈国强，林楚楚，
申请(专利权)人：南通纺织丝绸产业技术研究院，苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32