一种具有粉末自愈性能的天然高分子导电水凝胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种具有粉末自愈性能的天然高分子导电水凝胶及其制备方法与应用。以天然高分子壳聚糖为原料，以甲基丙烯酸为功能单体，以锌盐为电解质，以引发剂、去离子水和酸为辅助原料，制备得到一种具有优异力学性能和粉末自愈性能的可回收利用天然高分子导电水凝胶。该导电水凝胶不仅具有出色的力学性能和导电性，同时具有优异的自愈性能，当水凝胶破损后能够快速的自愈合；该水凝胶还展现出优异的粉末自愈性能，并且保持稳定的力学性能和电化学性能。本发明专利技术制备工艺简单，通过一锅法制备为天然高分子导电水凝胶的大规模应用提供了便利，无有机溶剂参与反应，绿色无污染，原料价格低廉，在柔性可穿戴电子器件等领域具有广阔的应用前景。的应用前景。的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种具有粉末自愈性能的天然高分子导电水凝胶及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于高分子材料
，特别涉及一种具有粉末自愈性能的天然高分子导电水凝胶及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着柔性科技的飞速发展，柔性可穿戴电子设备以其重量轻、成本低、灵活性高、适应性强等特点，受到人们的广泛关注，并围绕柔性可穿戴电子设备开展了大量的研究工作，取得了一系列成果，如应力应变传感器、压力传感器、人造肌肉、电子皮肤、柔性机器人等。多种不同功能材料被广泛应用于制备柔性可穿戴电子设备，如人工橡胶、硅基弹性体及高分子聚合物等，这其中以离子型导电水凝胶为基质材料的柔性可穿戴电子设备发展尤为突出，这是由于离子型导电水凝胶不仅具有优异的导电性，能够满足柔性电子设备的应用需求，同时，出色的柔韧性和稳定性确保了导电水凝胶在拉伸或弯曲状态下仍然能够保持稳定的电化学性能。因此，离子型导电水凝胶被认为是理想的柔性可穿戴电子设备基质材料。然而，由于缺乏有效的回收利用方法，大量的离子型导电水凝胶常常会因为不可恢复形变、断裂、破损、机械损伤、及失水干燥等问题，导致水凝胶自身电化学性能与力学性能的显著衰减，造成用其制备的柔性可穿戴电子设备无法继续使用。这大大缩减了导电水凝胶柔性可穿戴电子设备的使用寿命，提高使用成本。同时，大量遗弃的电子器件与基质材料也会引发环境污染问题。因此，开发一种可回收利用的柔性离子型导电水凝胶是解决水凝胶柔性可穿戴电子设备可持续发展的核心。
[0003]近年来，针对离子型导电水凝胶自身的使用寿命问题，研究者们开展了大量的研究工作。已有报道的解决方案主要有两种，一种设计制备具有自修复性能的离子型导电水凝胶，利用分子间的动态相互作用，有效的修复因机械损伤或断裂造成的水凝胶结构损伤，修复后的水凝胶能够保持良好的力学性能与电化学性能。虽然自修复性能够有效的解决机械损伤和断裂问题，但当水凝胶发生不可恢复形变、破损及失水干燥问题时，仍然会引起水凝胶自身性能的衰减，使得柔性电子设备无法正常工作。此外，自修复性能始终无法彻底解决水凝胶回收利用问题；另一种是利用水凝胶自身优异的溶胀性能，在水凝胶骨架结构中引入大量的亲水官能团，当水凝胶因失水干燥导致性能衰减时，通过溶液浸泡的方法使干燥的水凝胶快速恢复原状，并保持稳定的力学性能与电化学性能。尽管这种方法有效的缓解了失水干燥问题，但当水凝胶发生破损或被遗弃后依旧无法回收利用。
[0004]此外，现有合成工艺还存在着反应过程复杂、成本高、反应时间长、收率不高、原料利用率低等难以克服的技术问题。所以提供一种具有优异的自愈性、可回收利用、工艺简单、制备成本低的天然高分子导电水凝胶及其制备工艺是十分必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种具有粉末自愈性能的天然高分子导电水凝胶及其制备
方法与应用，从而解决现有离子型导电水凝胶中存在因不可恢复形变、断裂、破损、机械损伤、及失水干燥等原因，导致的离子型导电水凝胶使用寿命受限的问题。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]根据本专利技术的第一方面，提供一种具有粉末自愈性能的天然高分子导电水凝胶的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1：将一定量的壳聚糖溶解在一定量的去离子水中，在1000
‑
1800rpm转速下搅拌，缓慢滴加一定量的酸，持续搅拌3.0
‑
6.0h，至溶液混合均匀后，放入3～6℃下冷藏，稳定8.0
‑
24.0h，得到壳聚糖溶液，所述壳聚糖、去离子水和酸的质量比为(1.0
‑
4.0):100:(0.01
‑
0.1)；S2：将步骤S1中所得壳聚糖溶液在300
‑
800rpm转速下搅拌0.5
‑
1.0h，温度保持20～30℃；S3：向步骤S2中所得壳聚糖溶液中，缓慢滴加一定量的甲基丙烯酸，0.5
‑
2.0h内滴加完毕，维持搅拌速度1000
‑
1500rpm，稳定4.0
‑
8.0h，温度保持20～30℃，所述壳聚糖溶液与甲基丙烯酸的质量比为(1.0
‑
8.0):1；S4：向步骤S3中所得溶液中加入锌盐，维持搅拌速度1000
‑
1500rpm，稳定1.0
‑
3.0h，温度保持20～30℃，所述溶液与锌盐的质量比为(1.0
‑
10.0):0.1；S5：向步骤S4中所得混合溶液中，通入氮气，缓慢滴加一定量的引发剂，0.5
‑
1.0h内滴加完毕，维持搅拌速度1000
‑
1500rpm，1.0
‑
3.0h，温度保持在20～30℃，所述混合溶液与引发剂的质量比为(10.0
‑
100):1.0；S6：将步骤S5中所得溶液升温至40
‑
80℃，持续搅拌，反应4.0
‑
8.0h，停止加热，冷却至室温后，得到乳白色凝胶即为所述天然高分子导电水凝胶。
[0008]步骤S1中，所述酸选自：醋酸、盐酸、草酸或柠檬酸。
[0009]步骤S1中，至溶液混合均匀后，放入4℃冰箱冷藏，稳定8.0
‑
24.0h，得到壳聚糖溶液。
[0010]步骤S4中，所述锌盐为硫酸锌、氯化锌、溴化锌、碘化锌、硝酸锌、醋酸锌、柠檬酸锌或葡萄酸锌。
[0011]步骤S5中，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸铈、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。
[0012]本专利技术以天然高分子壳聚糖为原料，以甲基丙烯酸为功能单体，以锌盐为电解质，以引发剂、去离子水和酸为辅助原料，制备得到了一种具有优异力学性能和粉末自愈性能的可回收利用天然高分子导电水凝胶(LXT)。
[0013]根据本专利技术的第二方面，提供一种根据上述制备方法制备得到的天然高分子导电水凝胶。
[0014]根据本专利技术的第三方面，提供一种天然高分子导电水凝胶在柔性可穿戴电子设备中的应用。
[0015]根据本专利技术的第四方面，提供一种天然高分子导电水凝胶在应变传感器、压力传感器、人造肌肉、电子皮肤、柔性机器人中的应用。
[0016]根据本专利技术提供的一种具有粉末自愈性能的可回收利用天然高分子导电水凝胶，以天然高分子壳聚糖为基础，引入功能单体甲基丙烯酸和锌盐，自由基聚合，形成一种天然产物与聚合物双网络贯穿的三维网状结构，即一种天然高分子导电水凝胶，并且该水凝胶具有优异的力学性能、导电性和粉末自愈性，在柔性可穿戴电子器件等领域具有广阔的应用前景。以其作为柔性电解质，应用柔性可穿戴电子器件，能够有效缓解因不可恢复形变、断裂、破损、机械损伤、及失水干燥等原因，引起的导电水凝胶使用寿命受限的问题，显著提
升使用效率，降低使用成本。
[0017]根据本专利技术提供的一种天然高分子导电水凝胶的制备方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有粉末自愈性能的天然高分子导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1：将一定量的壳聚糖溶解在一定量的去离子水中，在1000
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1800rpm转速下搅拌，缓慢滴加一定量的酸，持续搅拌3.0
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6.0h，至溶液混合均匀后，放入3～6℃下冷藏，稳定8.0
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24.0h，得到壳聚糖溶液，所述壳聚糖、去离子水和酸的质量比为(1.0
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4.0):100:(0.01
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0.1)；S2：将步骤S1中所得壳聚糖溶液在300
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800rpm转速下搅拌0.5
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1.0h，温度保持20～30℃；S3：向步骤S2中所得溶液中缓慢滴加一定量的甲基丙烯酸，0.5
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2.0h内滴加完毕，维持搅拌速度1000
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1500rpm，稳定4.0
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8.0h，温度保持20～30℃，所述壳聚糖溶液与甲基丙烯酸的质量比为(1.0
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8.0):1；S4：向步骤S3中所得溶液中加入锌盐，维持搅拌速度1000
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1500rpm，稳定1.0
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3.0h，温度保持20～30℃，所述溶液与锌盐的质量比为(1.0
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10.0):0.1；S5：向步骤S4中所得混合溶液中，通入氮气，缓慢滴加一定量的引发剂，0.5
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄海龙，付晓彬，刘一阳，苗海越，刘洪涛，钱渊，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：