一种柔性导电水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种柔性导电水凝胶的制备方法，包括：将可溶性纤维素水分散液加入至有机

【技术实现步骤摘要】
一种柔性导电水凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高分子材料
，尤其是涉及一种柔性导电水凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]作为下一代可穿戴和可植入电子基体之一，水凝胶可以提供非常好的生物相容性和柔软性，而将水凝胶作适当的处理，引入导电介质或离子的形式制成具有导电性的水凝胶材料，进而得到了导电水凝胶。导电水凝胶将亲水性基质和导电介质有机结合起来，是一类兼具有良好的可加工性、较高柔韧性和优异电化学性能的新型复合水凝胶，在电子皮肤、柔性应变传感器、超级电容器、柔性穿戴电子设备等诸多领域具有广阔的应用前景，是未来柔性电子器件的理想材料，从而可将人体与电子器件连接起来。
[0003]一般而言，常见的水凝胶如聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)等由于网络结构松散、孔径结构不均匀，导致其力学性能很差，这严重限制了水凝胶的实际应用，同时导电媒介如石墨烯，碳纳米管等以及各种增强体的加入，使得水凝胶通常透明性很差。并且传统的导电水凝胶由于只含有纯水溶剂，当环境温度低于冰点时，由于水分子间氢键作用的增强会使其转变为冰晶状态，进而使得导电水凝胶失去相应的柔性，这将严重限制导电水凝胶在低温恶劣环境中的应用。因此，目前开发具有高拉伸性，耐低温的高性能离子导电有机水凝胶仍然是一个巨大的挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的问题是提供一种柔性导电水凝胶及其制备方法和应用，有效的解决常见的水凝胶力学性能差、透明性差，且当环境温度低于冰点时，导电水凝胶失去相应的柔性，严重限制导电水凝胶在低温恶劣环境中的应用的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]第一方面，本申请提供了一种柔性导电水凝胶的制备方法，包括：
[0007]将可溶性纤维素加入至水中，得到可溶性纤维素水分散液，然后将所述可溶性纤维素水分散液加入到有机
‑
水二元溶剂体系中，持续搅拌至所述可溶性纤维素水分散液完全混匀分散在有机
‑
水二元溶剂体系中，得到分散液；
[0008]将基体加入所述分散液中，加热并搅拌至所述基体完全溶解，得到混合液；
[0009]所述混合液在油浴中静置，静置完成后转移至模具中，在低温环境中进行低温溶胶
‑
凝胶转变，得到有机水凝胶；
[0010]将所述有机水凝胶浸泡在无机离子交换平衡液中，达到离子交换平衡，得到柔性导电水凝胶。
[0011]进一步的，将所述可溶性纤维素水分散液加入至所述有机
‑
水二元溶剂体系的步骤中，持续搅拌2
‑
6h，得到所述分散液。
[0012]进一步的，将所述基体加入至所述分散液的步骤中，加热至85
‑
95℃并持续搅拌6
‑
8h，得到所述混合液。
[0013]进一步的，所述混合液在油浴中静置的过程中，油温为90
‑
110℃，油浴时间为2
‑
3h，并且在非搅拌的情况下去除泡沫。
[0014]进一步的，所述混合液静置完成后转移至模具中，在
‑
50℃～
‑
10℃的低温环境下放置10
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24h进行转变，得到所述有机水凝胶。
[0015]进一步的，所述无机离子交换平衡液为无机盐溶于有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中的溶液，将所述有机凝胶浸泡在所述无机离子交换平衡液中10
‑
30h，得到所述柔性导电水凝胶。
[0016]进一步的，所述基底为聚乙烯醇；所述可溶性纤维素为羟丙基纤维素、羟甲基纤维素，纳米纤维素中的一种或几种。
[0017]进一步的，所述基底与所述可溶性纤维素的质量比为25:1
‑
100:1。
[0018]进一步的，所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中，水和有机溶剂的质量比为0.2～1.5；进一步的，所述有机溶剂为乙二醇、丙三醇、二甲基亚砜、苄基三甲基氢氧化胺，甜氨酸、脯氨酸中的至少一种。
[0019]进一步的，所述无机盐为氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾中的一种或几种；进一步的，所述无机盐离子交换平衡液的浓度在0.5
‑
2M。
[0020]第二方面，本申请提供了一种柔性导电水凝胶，其特征在于：所述导电有机水凝胶采用权利要求1～10任一项所述的方法制备得到。
[0021]第三方面，如权利要求11所述的一种柔性导电水凝胶在应变传感器、温度传感器、电容器、离子导体或致动器领域的应用。
[0022]采用上述技术方案，以聚乙烯醇为基体，以可溶性纤维素作为有机水凝胶体系的增强体，以有机溶剂
‑
水二元溶剂体系作为溶剂，以无机盐等导电离子作为导电媒介，通过低温溶胶
‑
凝胶转变的方法制得有机水凝胶；再将该有机水凝胶放入到无机盐离子交换平衡液中进行离子平衡，得到具有导电性能的有机水凝胶。对于该方法得到有机水凝胶具有高拉伸性，高透明性，同时可耐低温并且在低温环境下具有高离子电导率。该有机水凝胶可应用于低温恶劣环境下的温度和力学传感，对该有机水凝胶进行传感器集成制造，可进行不同温度、不同拉伸力下的传感监测。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例1所得的PVA
‑
1％CNF有机水凝胶的紫外
‑
透光率曲线
[0024]图2是本专利技术实施例1所得的PVA
‑
1％CNF有机水凝胶的拉伸应力
‑
应变曲线；
[0025]图3是本专利技术实施例2所得的PVA
‑
4％CNF有机水凝胶的紫外
‑
透光率曲线
[0026]图4是本专利技术实施例2所得的PVA
‑
4％CNF有机水凝胶的拉伸应力
‑
应变曲线
具体实施方式
[0027]下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明：
[0028]一种柔性导电水凝胶的制备方法，包括：
[0029]S1：将可溶性纤维素加入至水中，得到可溶性纤维素水分散液，然后将所述可溶性纤维素水分散液加入至有机
‑
水二元溶剂体系中，持续搅拌至所述可溶性纤维素水分散液
完全混匀分散在有机
‑
水二元溶剂体系中，得到分散液；其中，
[0030]可溶性纤维素为羟丙基纤维素、羟甲基纤维素，纳米纤维素中的一种或几种；有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中，水和有机溶剂的质量比为0.2～1.5；进一步的，所述有机溶剂为乙二醇、丙三醇、二甲基亚砜、苄基三甲基氢氧化胺，甜氨酸、脯氨酸中的至少一种；
[0031]先将可溶性纤维素加入水中，分散得到可溶性纤维素水分散液，再将可溶性纤维素水分散液加入至有机
‑
水二元溶剂体系中，持续搅拌2
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性导电水凝胶的制备方法，包括：将可溶性纤维素加入到水中，形成可溶性纤维素水分散液，然后将所述可溶性纤维素水分散液加入到有机
‑
水二元溶剂体系中，持续搅拌至所述可溶性纤维素水分散液完全混匀分散在所述有机
‑
水二元溶剂体系中，得到分散液；将基体加入所述分散液中，加热并搅拌至所述基体完全溶解，得到混合液；所述混合液在油浴中静置，静置完成后转移至模具中，在低温环境中进行低温溶胶
‑
凝胶转变，得到有机水凝胶；将所述有机水凝胶浸泡在无机离子交换平衡液中，达到离子交换平衡，得到柔性导电水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种柔性导电水凝胶的制备方法，其特征在于：将所述可溶性纤维素水分散液加入至所述有机
‑
水二元溶剂体系的步骤中，持续搅拌2
‑
6h，得到所述分散液。3.根据权利要求1所述的一种柔性导电水凝胶的制备方法，其特征在于：将所述基体加入至所述分散液的步骤中，加热至85
‑
95℃并持续搅拌6
‑
8h，得到所述混合液。4.根据权利要求1所述的一种柔性导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述混合液在油浴中静置的过程中，油温为90
‑
110℃，油浴时间为2
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3h，并且在非搅拌的情况下去除泡沫。5.根据权利要求1所述的一种柔性导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述混合液静置完成后转移至模具中，在
‑
50℃～
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【专利技术属性】
技术研发人员：齐盼弟，李帅鹏，卢志威，刘兴江，
申请(专利权)人：天津中电新能源研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：