一种可生物降解的压电高分子材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于功能复合材料领域，具体涉及一种可生物降解的高分子共混改性丝素蛋白复合压电材料及其制备方法。本发明专利技术提供一种可生物降解的压电高分子材料，所述压电高分子材料是由天然高分子和可生物降解的合成聚合物共混改性形成的天然高分子基复合材料；其中，天然高分子和可生物降解的合成聚合物的质量比为10：3～10：8。本发明专利技术提供一种针对天然高分子进行改性形成的可生物降解的压电高分子材料，所得的改性天然高分子复合压电材料具有优异的可加工性、良好的力学性能以及优异的压电输出性能、可调控的生物降解性能，在体内外压力传感器、能量收集器和加速度测量器件等方面具有良好应用前景。良好应用前景。良好应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种可生物降解的压电高分子材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于功能复合材料领域，具体涉及一种可生物降解的高分子共混改性天然高分子形成的复合压电材料及其制备方法。
[0002]
技术介绍
介绍
[0003]随着柔性电子技术与先进医疗诊断、健康管理方法的结合，用于体内外压力监测的柔性可穿戴型压力传感器的需求与日俱增。为了避免二次手术创伤给患者带来的病痛，通常要求可进行体内压力监测的材料需要具有良好的生物相容性和生物可降解性，而传统的压力传感材料显然无法满足此类应用要求。此外，近年来物联网与人工智能技术的迅猛发展使得柔性压力传感器的市场需求激增，用于体内外压力以及物体压力监测的电子设备在使用后直接丢弃不仅造成高额的处理成本，存在于环境中也会造成严重的水土污染。因此，发展可生物降解的高分子基压力传感材料具有十分重要的意义。
[0004]由于基于电阻与电容原理的压力传感器在使用过程中离不开供电单元，因此存在一定的功率消耗。而从可持续发展的角度来看，低功耗甚至无功耗的压力传感材料无疑是最佳选择。因此，与其它具有能量收集功能的压力传感材料相比，具有更好稳定性与较高功能密度的压电材料无疑成为了柔性压力传感器的最佳选择之一。结合可持续发展和可生物降解需求，发展具有可生物降解的无功耗型压力传感材料就变得极其重要，同时也是压力传感器实现绿色化的关键所在。
[0005]目前，已报道的可生物降解的高分子基压电型压力传感材料具体包括可生物降解的天然高分子材料(如木质素、纤维素、蛋白质如丝素蛋白、明胶、胶原蛋白等)与化学合成的高分子(如聚乳酸、聚羟基丁酸酯或聚脲)。其中天然高分子材料具有良好的生物相容性和生物可降解特性，在一些生物压力传感器应用方面，如贴肤型或可植入型压力传感器，具有良好的应用前景。但是，丝素蛋白膜等天然高分子膜材料脆性较大，因此在用作柔性电子器件时往往需要借助柔性的弹性体聚合物作为支撑或者封装层。
[0006]从文献研究来看，解决丝素蛋白膜等天然高分子的压电性能主要依靠引入无机压电物质进行复合，同时借助有机高分子的粘接作用制备压电复合材料，但此时复合材料的压电性能主要由无机压电材料提供，而丝素蛋白等天然高分子只是作为一种封装或者支撑材料使用。对于丝素蛋白等天然高分子本身压电性能的提升，目前虽有研究表明借助机械拉伸作用以及适当的退火处理可以促进β折叠晶体的形成，进而在一定程度上提高其压电性能，但是与其它压电聚合物的压电输出性能相比依然很低，通常难以满足使用要求。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的不足与局限性，本专利技术提供一种针对天然高分子进行改性形成的可生物降解的压电材料，所得的改性天然高分子复合压电材料具有优异的可加工性、良好的力学性能以及优异的压电输出性能、可调控的生物降解性能，在体内外压力传感器方面具有良好应用前景。
[0008]本专利技术的技术方案：
[0009]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种可生物降解的压电高分子材料，所述压电高分子材料是由天然高分子和可生物降解的合成聚合物共混改性形成的天然高分子基复合材料；其中，天然高分子和可生物降解的合成聚合物的质量比为10：3～10：8(优选为10：5)。
[0010]进一步，所述天然高分子的杨氏模量大于可生物降解的合成聚合物的杨氏模量。
[0011]更进一步，天然高分子的杨氏模量≥3
×
可生物降解的合成聚合物的杨氏模量。
[0012]进一步，所述天然高分子与可生物降解的合成聚合物之间能够产生相互作用，如共价键、范德华力、氢键或偶极相互作用。
[0013]进一步，所述天然高分子与可生物降解的合成聚合物均具有极性官能团，如羟基、氨基、羰基或酯键。
[0014]进一步，所述天然高分子为丝素蛋白或纤维素，所述可生物降解的合成聚合物为聚乳酸、聚羟基丁酸酯或聚脲。
[0015]优选的，所述天然高分子为丝素蛋白，所述可生物降解的合成聚合物为聚乳酸。
[0016]进一步，所述可生物降解的压电高分子材料可进一步加工成型为压电纤维材料、膜材料(纤维膜或密实膜等膜材料)或块体材料。
[0017]进一步，所述可生物降解的压电高分子材料的微观结构呈现：可生物降解的合成聚合物以纳米分散相分散在所述天然高分子的内部；由于可生物降解的合成聚合物的杨氏模量小于天然高分子的杨氏模量，使得具有上述微观结构的可生物降解的压电高分子材料的内部不同区域的模量因聚合物性质的差异而具有模量差异化的表现，模量差异能够实现局部应力场的改变，调控应力分布及传递效果，并借助局部应力不均匀产生的应力场集中效应实现局部偶极子的力学极化，最终达到调控压电输出性能的效果。
[0018]本专利技术要解决的第二个技术问题是提供上述可生物降解的压电高分子材料的制备方法，所述制备方法为：将所述天然高分子和可生物降解的合成聚合物均匀共混制得复合材料。
[0019]进一步，可将所得复合材料进一步加工成型为压电纤维材料、膜材料或块体材料。
[0020]进一步，所述可生物降解的压电高分子材料的制备方法为：将所述天然高分子和所述可生物降解的合成聚合物制成混合溶液，然后通过静电纺丝、静电直写、溶液纺丝或旋涂成膜(即在剪切或拉伸的作用下)的方法制得压电纤维材料、膜材料或块体材料。
[0021]进一步，当所述天然高分子为丝素蛋白，所述可生物降解的合成聚合物为聚乳酸时，所述可生物降解的压电材料的制备方法为：先将丝素蛋白、聚乳酸和溶剂混匀制得共混液，然后将所得共混液通过纺丝法制得压电复合纤维膜材料；其中，共混液中丝素蛋白和聚乳酸的总质量：溶剂的体积＝10～20g：100ml。即丝素蛋白与聚乳酸的总质量与溶剂体积的占比为10～20g：100ml。
[0022]进一步，所述溶剂为六氟异丙醇(HFIP)或者六氟异丙醇与甲酸(FA)的混合溶剂，混合溶剂中两者的体积比为：HFIP:FA＝4:1～3:2；优选为HFIP。
[0023]进一步，所述可生物降解的压电材料的制备方法中，所述纺丝法为静电纺丝法，静电纺丝过程中，纺丝液推进速度：6～30μL/min(优选为25μL/min)；纺丝电压：10～15kV(优选为12kV)；纺丝距离：10～15cm(优选为10cm)；纺丝时间：1～3h，由所需的纤维膜厚度进行调整。
[0024]本专利技术要解决的第三个技术问题是指出上述可生物降解的压电高分子材料在制备柔性机械传感材料(力、应变/位移及加速度传感器等)、柔性自供电材料(摩擦起电与压电功能特性薄膜)中的用途。
[0025]本专利技术要解决的第四个技术问题是提供一种提高天然高分子材料压电性能的方法，所述方法为：在所述天然高分子中引入可与其发生相互作用的合成聚合物，然后通过共混改性制成压电高分子复合材料；其中，天然高分子和合成聚合物的质量比为10：3～10：8(优选为10：5)。所述相互作用具体指：共价键、范德华力、氢键或偶极相互作用。
[0026]进一步，天然高分子的杨氏模量大于合成聚合物的杨氏模量。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可生物降解的压电高分子材料，其特征在于，所述压电高分子材料是由天然高分子和可生物降解的合成聚合物共混改性形成的天然高分子基复合材料；其中，天然高分子和可生物降解的合成聚合物的质量比为10：3～10：8。2.根据权利要求1所述的一种可生物降解的压电高分子材料，其特征在于，所述天然高分子的杨氏模量大于可生物降解的合成聚合物的杨氏模量；进一步，天然高分子的杨氏模量≥3
×
可生物降解的合成聚合物的杨氏模量。3.根据权利要求1或2所述的一种可生物降解的压电高分子材料，其特征在于，所述天然高分子与可生物降解的合成聚合物之间能够产生相互作用，所述相互作用为共价键、范德华力、氢键或偶极相互作用；进一步，所述天然高分子与可生物降解的合成聚合物均具有极性官能团，所述极性官能团为羟基、氨基、羰基或酯键。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种可生物降解的压电高分子材料，其特征在于，所述天然高分子为丝素蛋白或纤维素，所述可生物降解的合成聚合物为聚乳酸、聚羟基丁酸酯或聚脲；优选的，所述天然高分子为丝素蛋白，所述可生物降解合成聚合物为聚乳酸。5.根据权利要求1～4任一项所述的一种可生物降解的压电高分子材料，其特征在于，所述可生物降解的压电高分子材料进一步加工成型为压电纤维材料、膜材料或块体材料；进一步，所述可生物降解的压电高分子材料的微观结构呈现：可生物降解的合成聚合物以纳米分散相分散在所述天然高分子的内部。6.权利要求1～5任一项所述的可生物降解的压电高分子材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将所述天然高分子和所述可生物降解的合成聚合物均匀共混制得复合材料；进一步，将所得复合材料加工成型为压电纤维材料、膜材料或块体材料；更进一步，所述制备方法为：将所述天然高分子和所述可生物降解的合成聚合物制成混合溶液，然后通过静电纺丝、静电直...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯凯，刘峻宏，张凯，包睿莹，刘正英，杨鸣波，杨伟，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：