一种自愈合抗冻导电丝素水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自愈合抗冻导电丝素水凝胶及其制备方法，属于柔性电子材料领域。本发明专利技术首先采用多巴胺对吡咯进行改性修饰、在酸性环境下聚合成多巴胺改性的聚吡咯，再以MAX粉末为原材料、在氢氟酸和盐酸刻蚀下得到MXene材料，然后将两者分别加入至聚乙烯醇水溶液中混合均匀，再加入丝素水溶液进一步混合，最后将硼砂和丙三醇混合水溶液滴入上述混合溶液中，制备出自愈合抗冻导电丝素水凝胶。该自愈合抗冻导电丝素水凝胶具有自愈合、抗冻性、透气性、良好导电性的优点，改进了普通丝素水凝胶的无抗冻性、无自愈合、导电材料分布不均的三大缺点，其在柔性电子产品领域具有广阔的应用前景。的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种自愈合抗冻导电丝素水凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术属于柔性电子材料领域，具体涉及一种自愈合抗冻导电丝素水凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]水凝胶是一种具有亲水基团，能够在水中溶胀但又不会溶于水的具有三维网络结构的聚合物，是一种重要的功能高分子材料，是当前材料学研究的热点之一；现在的水凝胶已经被广泛应用在电子，医用，化妆品等领域，尤其在电子领域需求日益增长。传统的导电水凝胶一般是基于导电分子聚合物形成，如聚吡咯，聚苯胺，聚3,4
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乙撑二氧噻吩等，然而这类水凝胶力学性能，柔韧性差，因而限制了其实际应用；为了克服水凝胶的力学差特点，会用到合成高分子丙烯酰胺，丙烯酸等，但这类合成物在体内不具备可降解性；其次，高分子固体和金属表面疏水，无法与皮肤亲和互容；最后，固体聚合物基和金属基表皮电极会抑制气体和液体的有效排出，长期佩戴，会引发皮肤炎症、瘙痒等症状，穿戴舒适度降低，而且皮肤表面堆积的汗液让表皮电极难以实现与皮肤的紧密贴合，进而影响高质量信号的传输。其次，水凝胶的无抗冻性和自愈合的性能，进一步影响了其应用范围。所以，具有生物相容性好的，力学性能好、抗冻、导电、透气自愈合材料在水凝胶是目前的研究热点。近年，有将导电材料引入复合水凝胶的研究，其中聚吡咯材料在生物医学应用中受到很大关注。然而，如果聚吡咯材料在水溶液中的分散性差，势必会影响到其导电性能和力学性能；再者由于MXene具有优异的导电性和电化学性能，所以将其引入水凝胶中可以提高其导电性和水凝胶传感的灵敏性。因此，在水凝胶制备中，需要保证聚吡咯材料在水凝胶中具有良好的分散，加入导电材料进一步提高水凝胶的导电性，所以开发一种简单高效的方法实现自愈合抗冻导电丝素水凝胶的制备至关重要。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种自愈合抗冻导电丝素水凝胶及其制备方法，所制备的水凝胶具备自愈合、抗冻性、透气性、良好导电性优点。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术首先提供了一种自愈合抗冻导电丝素水凝胶的制备方法，所述方法包括以下步骤：1）丝素水溶液的制备：将蚕茧剪碎、脱胶、溶解、透析处理后获得纯化的丝素水溶液，并将其稀释至一定浓度；2）多巴胺改性聚合吡咯材料的制备：以吡咯为单体，多巴胺为掺杂剂，无水氯化铁为氧化剂，在酸性溶液中通过原位化学氧化聚合制备得到多巴胺改性聚合吡咯材料；3）MXene材料的制备：以MAX粉末为原料，在刻蚀溶液的作用下对其进行刻蚀，随后将刻蚀混合物进行离心分离，所得沉淀用去离子水反复清洗、再冷冻干燥，即得到MXene材料；
4）自愈合抗冻导电丝素水凝胶的制备：将多巴胺改性聚合吡咯材料和MXene材料加入至聚乙烯醇水溶液中，再向其中加入丝素水溶液，得到混合溶液C；将硼砂和丙三醇溶解于去离子水中，得到混合溶液D；将混合溶液D加入至混合溶液C中，即得到所述自愈合抗冻导电丝素水凝胶。
[0005]进一步的，上述丝素水溶液的制备方法具体为：利用2wt%的碳酸钠水溶液对剪碎后的蚕茧进行脱胶，其中，碳酸钠水溶液:蚕茧的重量比为30:1；将脱胶蚕茧烘干后溶解于三元溶剂中，再在去离子水中透析48
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96h，得到丝素水溶液，并将其稀释至浓度为2~4wt%；其中，所述三元溶剂由摩尔比为8:2:1的去离子水、无水乙醇和无水氯化钙混合而得。
[0006]上述多巴胺改性聚合吡咯材料的制备方法具体为：向盐酸水溶液中加入吡咯和多巴胺，得到混合溶液A，其中，吡咯的浓度范围为2~40mg/mL，多巴胺的浓度范围为0.2~1.4mg/mL；将无水氯化铁溶解于盐酸水溶液中，得到混合溶液B，其中，无水氯化铁的浓度范围为4~80mg/mL；将1体积份混合溶液B缓慢滴入至4体积份混合溶液A中，在4℃下反应12h，离心，沉淀用去离子水清洗至洗涤液呈中性，将清洗后的沉淀冷冻干燥，得到多巴胺改性的聚吡咯材料。
[0007]上述MXene材料的制备方法具体为：将氢氟酸和盐酸按照1:20的质量比混合，得到刻蚀溶液；向刻蚀溶液中加入MAX粉末(Ti3AlC2)，MAX粉末与刻蚀溶液的质量比为1:21，在30~50℃下搅拌反应24~48h，随后将刻蚀混合物进行离心分离，所得沉淀用去离子水反复清洗至洗涤液呈中性，将清洗后的沉淀冷冻干燥，即得到MXene材料。
[0008]上述自愈合抗冻导电丝素水凝胶的制备方法为：将聚乙烯醇加入至去离子水中，在95℃下加热溶解，得到聚乙烯醇水溶液，其中，聚乙烯醇的浓度范围为10wt%~25wt%；称取0.075~0.45g多巴胺改性聚合吡咯和0.15~0.9g MXene材料加入至15mL 10wt%~25wt%的聚乙烯醇水溶液中，再向其中加入5mL 2.5~3.5wt%的丝素水溶液，搅拌30min，得到混合溶液C；然后称取0.05~0.1g硼砂和0.5~2mL丙三醇溶解在5mL蒸馏水中，得到混合溶液D；将5mL混合溶液D加入至 20mL混合溶液C中，搅拌至成凝胶状，即得到所述自愈合抗冻导电丝素水凝胶。
[0009]本专利技术还提供了一种利用上述的制备方法制得的自愈合抗冻导电丝素水凝胶。
[0010]本专利技术还提供了上述一种自愈合抗冻导电丝素水凝胶在制备在可穿戴电子设备中的应用。
[0011]本专利技术的原理如下：本专利技术利用多巴胺的氨基的亲水基团，将其对吡咯进行改性修饰，使合成的改性聚吡咯导电材料有良好的水溶性，可以在水凝胶体系中分散比较好，同时加入MXene材料作为复合导电纳米材料，使得水凝胶具备高导电性。聚乙烯醇的羟基可以和硼砂的硼酸根生成动态的硼酸酯键，可以实现快速的自愈合。丝素为基体可以增加水凝胶的力学性能，同时由于丝素本身的微孔结构，赋予电极良好的透气性和检测信号的稳定，从而可避免在穿戴过程中因汗液的积累而引起电极信号不稳定和穿戴不舒适。
[0012]本专利技术的显著优点在于：（1）本专利技术对导电材料进行多巴胺改性修饰，使其表面功能化，从而在水凝胶网络中具有良好的分散性，同时加入MXene材料作为复合导电纳米材料，从而使得制备得到的水凝胶具备高导电性；
（2）丝素是一种天然的纤维，其作为水凝胶的基体，对人体皮肤表现出良好的亲和性，能与人体皮肤保持优异的共形接触，保证高质量的信号检测和传输；（3）本专利技术水凝胶中由于聚乙烯醇和硼砂之间形成的动态硼酸酯键，使其具备自愈合的性能，具有广阔的应用前景；（4）本专利技术制备得到的丝素水凝胶具有多孔结构，赋予表皮电极优异的透气性能，避免了可穿戴电子器件长时间与人体皮肤接触时因不透气带来的皮肤瘙痒，红肿的问题，可提供较为舒适的穿戴体验；（5）不同于其他静电纺丝、纳米喷涂和激光打孔等高成本复杂的制备方法，本专利技术利用共混溶液法制备得到自愈合抗冻丝素水凝胶，其制备过程易调控，方法简单，操作方便。
附图说明
[0013]图1是本专利技术实施例1中所制备的自愈合抗冻导电丝素水凝胶的光学显微镜图。
[0014]图2是本专利技术实施例1中所制备的自愈合抗冻导电丝素水凝胶的拉伸弯曲压缩力学图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自愈合抗冻导电丝素水凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1）丝素水溶液的制备：将蚕茧剪碎、脱胶、溶解、透析处理后获得纯化的丝素水溶液，并将其稀释至一定浓度；2）多巴胺改性聚合吡咯材料的制备：以吡咯为单体，多巴胺为掺杂剂，无水氯化铁为氧化剂，在酸性溶液中通过原位化学氧化聚合制备得到多巴胺改性聚合吡咯材料；3）MXene材料的制备：以MAX粉末为原材料，在刻蚀溶液的作用下对其进行刻蚀，随后将刻蚀混合物进行离心分离，所得沉淀用去离子水反复清洗、再冷冻干燥，即得到MXene材料；4）自愈合抗冻导电丝素水凝胶的制备：将多巴胺改性聚合吡咯材料和MXene材料加入至聚乙烯醇水溶液中，再向其中加入丝素水溶液，得到混合溶液C；将硼砂和丙三醇溶解于去离子水中，得到混合溶液D；将混合溶液D加入至混合溶液C中，即得到所述自愈合抗冻导电丝素水凝胶。2.根据权利要求1所述的自愈合抗冻导电丝素水凝胶的制备方法，其特征在于：所述丝素水溶液的制备方法具体为：利用2wt%的碳酸钠水溶液对剪碎后的蚕茧进行脱胶，碳酸钠水溶液:蚕茧的重量比为30:1；将脱胶蚕茧烘干后溶解于三元溶剂中，再在去离子水中透析48
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96h，得到丝素水溶液，并将其稀释至浓度为2~4wt%；其中，所述三元溶剂由摩尔比为8:2:1的去离子水、无水乙醇和无水氯化钙混合而得。3.根据权利要求1所述的自愈合抗冻导电丝素水凝胶的制备方法，其特征在于：所述多巴胺改性聚合吡咯材料的制备方法具体为：向盐酸水溶液中加入吡咯和多巴胺，得到混合溶液A，其中，吡咯的浓度范围为2~40mg/mL，多巴胺的浓度范围为0.2~1.4mg/mL；将无水氯化铁溶解于盐酸水溶液中，得到混合溶液B，...

【专利技术属性】
技术研发人员：游力军，郑智娟，汪少芸，钟宝华，熊蔡华，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：