一种高韧性、防冻导电水凝胶及制备方法技术

本发明专利技术涉及水凝胶的制备方法，具体涉及一种高韧性、防冻导电水凝胶及制备方法，属于聚合物制备领域。该水凝胶以聚乙烯醇、丙烯酰胺、N

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性、防冻导电水凝胶及制备方法


[0001]本专利技术涉及水凝胶的制备方法，具体涉及一种高韧性、防冻导电水凝胶制备方法，属于聚合物制备领域。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]水凝胶是一类具有三维交联网络结构且内部含有大量水的高分子材料。在凝胶网络中，水分子与聚合物链的亲水基团紧密结合，由常温常压下难以加工的液态转变为流动性受限的类固态。因此水凝胶材料兼具了传统体相材料的良好固体力学性能和流体热力学性能。水凝胶作为以水为主要成分的软质材料，可塑性强，具有良好的弹性与生物相容性，在软体机器人，智能制动器，组织工程和柔性电子器件等领域有着巨大的应用前景。
[0004]具有显著的导电性和与人体皮肤相似的感知功能的柔性电子器件在推进人体表皮检测、植入式传感器和实时监测传感器方面具有重要意义。一般来说，这些器件应该具有合适的机械韧性、与人体的弹性模量相匹配的弹性模量和较高的灵敏度，能够有效地将生理参数转换为可检测的电信号。在不同类型的传感材料中，水凝胶作为一种极亲水的三维网络结构凝胶，变形和韧性导电性水凝胶是最合适的传感器候选材料之一。它具有可调的生物相容性弹性模量，具有按需设计的力学性能，覆盖了人体组织的所有模量，以适应传感应用。
[0005]然而，传统的水凝胶通常使用水作为电子离子介质。虽然获得了电和机械性能，但大多数复合水凝胶不能承受极端环境，不具有环境稳定性。它在高温条件下会干燥，在零度以下结冰。即使在室温下，水凝胶也不可避免地会失水，导致机械硬化和变形能力较弱，阻碍了可执行的电气设备的环境稳定性和操作耐久性。离子导电水凝胶因其制备工艺简单、成本低、电导率高而特别吸引人然而，尽管离子水凝胶中的丰富的水可以提供理想的导电性和高效的离子迁移，但通常导致机械强度不足，同时，离子导电水凝胶较差的抗冻性限制了其在极端寒冷环境中的应用。这是因为水凝胶中的大量水不可避免地在零下的温度下冻结，从而影响了水凝胶的机械弹性和离子传输能力。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有材料中的缺陷，并提供一种高韧性、防冻导电水凝胶及制备方法。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术的第一个方面，提供了一种高韧性、防冻导电水凝胶的制备方法，包括：
[0009]向海藻酸钠溶液中依次加入聚乙烯醇、丙烯酰胺、N
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乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺的交联剂、聚乙烯醇的交联剂、引发剂混合均匀，加热进行共聚，得到水凝胶；
[0010]对所述水凝胶进行干燥
‑
溶胀处理，即得。
[0011]海藻酸钠(SA)是一种天然、廉价的多糖，由α
‑
Lguuronic acid和P
‑
D
‑
甘露糖酸两个替代单元组成，因其良好的生物相容性和生物降解性而备受关注，在化学、生物、医药和食品领域有广泛的应用。除了良好的生物相容性外，海藻酸钠还可以作为聚电解质，使水凝胶具有良好的导电性。此外，海藻酸钠也可以提高水凝胶体系中的机械强度。传统的丙烯酰胺水凝胶往往强度很低，因此我们将N
‑
乙烯基吡咯烷酮引入体系，与丙烯酰胺形成共聚体系，以增强水凝胶强度。同时，我们还通过干燥
‑
溶胀方法诱导复合水凝胶内PVA微晶的形成，该方法可有效提升水凝胶的力学性能。
[0012]研究发现：甘油作为一种有机溶剂可与水分子形成较强的氢键，从而在零度以下破坏冰晶格达到防冻效果，同时防止水蒸发。此外，一个甘油分子可以提供三个羟基；因此，甘油还可以作为聚乙烯醇链的交联剂，从而提高聚乙烯醇水凝胶的强度和韧性。聚乙烯醇可以和硼砂溶液形成硼酸酯键赋予体系良好的自修复效果。同时，聚乙烯醇链上丰富的羟基可以和聚丙烯酰胺、海藻酸钠形成致密的氢键，以赋予水凝胶优异的韧性。
[0013]本专利技术的第二个方面，提供了上述的方法制备的高韧性、防冻导电水凝胶。
[0014]本专利技术的第三个方面，提供了述的水凝胶在制造软体机器人、智能制动器、组织工程和柔性电子器件中的应用。
[0015]本专利技术的有益效果在于：
[0016](1)本专利技术的制备过程，充分利用了海藻酸钠的粘性特点，加入海藻酸钠混合的导电水凝胶机械强度变好，同时也有较好的导电性。
[0017](2)甘油的引入既可与水分子形成较强的氢键，在零度以下破坏冰晶格达到防冻效果，同时还可以作为聚乙烯醇链的交联剂提高水凝胶的机械强度。
[0018](3)采用干燥
‑
溶胀法进一步对水凝胶处理可诱导PVA产生结晶以此提高水凝胶的力学性能和稳定性。
[0019](4)本专利技术制备方法简单、价格低廉、实用性强，易于推广
附图说明
[0020]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0021]图1为各实施例制得的水凝胶的应力应变图，其中5％
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9％代表体系中海藻酸钠的含量。
[0022]图2为不同甘油含量水凝胶的应力应变图，其中0％
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30％代表体系中甘油的含量。
[0023]图3为不同甘油含量水凝胶的韧性图。
[0024]图4为不同甘油含量的水凝胶的DSC的曲线。
[0025]图5为导电水凝胶作为一种应变传感器的电信号。
具体实施方式
[0026]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0027]一种高韧性、防冻导电水凝胶及制备方法，即将不同比例的海藻酸钠和甘油添加的聚乙烯醇、丙烯酰胺和N
‑
乙烯基吡咯烷酮水凝胶体系中，制得复合水凝胶。随后进行干燥
‑
溶胀处理得到最终产品。所述体系中，海藻酸钠的添加量为5％
‑
9％,甘油添加量为0％
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30％。
[0028]在一些实施例中，将海藻酸钠在加热和搅拌的状态下溶于水中，随后冷却至室温。在上述溶液中加入聚乙烯醇、丙烯酰胺、N
‑
乙烯基吡咯烷酮、过硫酸钾、N，N
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亚甲基双丙烯酰胺、硼砂，置于50
‑
80℃水浴中加热，体系中丙烯酰胺与N
‑
乙烯基吡咯烷酮进行共聚，得到水凝胶。然后将所制得的水凝胶完全干燥并浸泡在水中以重新溶胀得到最终产品。
[0029]在一些实施例中，在上述水凝胶中选取最佳的海藻酸钠添加量后，添加甘油到水凝胶体系中。
[0030]下面结合具体的实施例，对本专利技术做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高韧性、防冻导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括：向海藻酸钠溶液中依次加入聚乙烯醇、丙烯酰胺、N
‑
乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺的交联剂、聚乙烯醇的交联剂、引发剂混合均匀，加热进行共聚，得到水凝胶；对所述水凝胶进行干燥
‑
溶胀处理，即得。2.如权利要求1所述的高韧性、防冻导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠的含量为5％
‑
9％。3.如权利要求1所述的高韧性、防冻导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述共聚反应的条件为50
‑
80℃下，反应4
‑
6小时。4.如权利要求1所述的高韧性、防冻导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇的交联剂为硼砂和甘油。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：高传慧，王彦庆，王日璇，陈丕成，周新婕，刘月涛，武玉民，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：