一种高电导率有机水凝胶的制备方法及器件技术

本发明专利技术公开一种高电导率纯有机水凝胶的制备方法及器件，将PEDOT:PSS与掺杂剂混合，然后滴涂在基底上，干燥，得到PEDOT:PSS自支撑薄膜；将PEDOT:PSS自支撑薄膜退火后，浸入丙三醇的水溶液或金属盐的水溶液中，得到高电导率有机水凝胶。将这种水凝胶裁剪成长条状，通过导电银浆或者铜箔连接起来，得到器件。本发明专利技术成功制备电导率最高的水凝胶材料，并将其应用于制备热电器件，除此之外由于水凝胶具有高电导率还能用于电磁屏蔽领域，电磁屏蔽性能是目前同类材料中最高值。水凝胶的电导率受形变的影响，因此本发明专利技术制备的水凝胶还能用于应变传感器。器。器。

【技术实现步骤摘要】
一种高电导率有机水凝胶的制备方法及器件


[0001]本专利技术属于半导体热电材料领域，具体涉及一种基于高电导率有机水凝胶的制备方法及器件。

技术介绍

[0002]PEDOT是有机热电领域最常用的导电聚合物，但是没有经过处理的PEDOT难溶，不易加工，通常使PEDOT与聚苯乙烯磺酸盐(PSS)混合组成PEDOT:PSS增加溶解性。因为PEDOT:PSS通常具有较低的热导率(0.1
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0.7W/m
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K2)【Nano Energy 51,481(2018)；Adv.Mater.27,6855(2015)】，提高功率因子(PF)，即可有效提高PEDOT:PSS的热电优值(ZT值)。由公式PF＝σ2×
S，式中σ是电导率，S是塞贝克系数，可知，功率因子与S和σ成正比，而S和σ之间存在耦合关系，在改进一个参数时会牺牲另一个参数。据报道，增加S可以有效地增加材料的PF值和ZT值。然而提高聚合物的塞贝克系数的同时通常电导率会减小，使聚合物薄膜具有高内阻，从而降低热电器件的输出功率【J.Mater.Chem.A 9,310(2021)】。因此提高PEDOT薄膜热电性能的常用方法仍然是增加电导率。
[0003]由于PSS是绝缘的，聚合物PEDOT:PSS的导电性低(<10S/cm)【Adv.Mater.24,2436(2012)；Adv.Mater.20,4061(2008)】。常用的提高溶液加工的PEDOT:PSS的电导率的方法是通过极性溶剂【Adv.Mater.20,4061(2008)；Adv.Funct.Mater.21,1076(2011)】、酸【Adv.Mater.24,2436(2012)；Adv.Mater.26,2268(2014)】、无机盐/有机盐【ACS Appl.Mater.Interfaces 8,11629(2016)；Macromolecules 42,4141(2009)】和离子液体【Sci.Adv.3,e1602076(2017)；Adv.Mater.28,8625(2016)】使PEDOT和PSS发生相分离，产生导电PEDOT聚集体。PEDOT:PSS被离子液掺杂后具有高达2000
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4000S/cm【Nat.Mater.12,719(2013)；Energy Environ.Sci.13,3480(2020)】的电导率，但是大多数的工作仅限于薄膜，这些薄膜通常易碎且制备效率低、难以扩大生产规模、不能满足可穿戴设备应用的需求。
[0004]水凝胶具有富含水的性质和类似组织的机械性能比薄膜更接近生物组织，但是水凝胶的电导率较低，科研工作者正致力于提高水凝胶材料的电导率。斯坦福大学的鲍哲南教授及其同事通过互穿法调整了PEDOT:PSS水凝胶的机械性能【Nat.Commun.9,2740(2018)】，获得的PEDOT:PSS水凝胶的最大电导率为0.23S/cm。尽管取得了一些成果，但是因为这些PEDOT:PSS水凝胶大多通过将与非导电明胶混合来制备【Adv.Mater.29,1700974(2017)】，所以大多数水凝胶的电导率很低，在10
‑4‑
1S/cm范围内，比薄膜的电导率低几个数量级。低电导率将会限制水凝胶在新兴的水凝胶生物电子学领域的应用【Chem.Soc.Rev.48,1642(2019)；Sci.Adv.2,e1601007(2016)；Nat.Commun.10,1043(2019)】。
[0005]引入高导电无机填料，如金属纳米颗粒/纳米线、碳纳米管【J.Mater.Chem.A 8,13095(2020)】等，可能会提高水凝胶的导电性，但会牺牲柔顺性、生物相容性、变形性和生物降解性【J.Mater.Sci.55,8376(2020)】。因此，尽量减少非导电明胶聚合物的用量，甚至避免使用非导电明胶聚合物似乎是提高PEDOT:PSS水凝胶电导率的有效策略。例如，韩国延
世大学的Kim等报道，具有明胶聚合物的PEDOT:PSS水凝胶薄膜的电导率小于0.29S/cm【Adv.Funct.Mater.29,1807549(2019)】。清华大学石高全教授等报道只有PEDOT:PSS的水凝胶的电导率可以增加到8.8S/cm【Adv.Mater.29,1700974(2017)】。麻省理工大学赵选贺教授等进一步提高纯PEDOT:PSS水凝胶的电导率到40S/cm【Nat.Commun.10,1043(2019)】。但是纯聚合物水凝胶的电导率仍然很低。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术中的问题，本专利技术的目的是提供一种高电导率有机水凝胶的制备方法及器件，该方法制备的有机水凝胶的电导率高。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0008]一种高电导率有机水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0009]将PEDOT:PSS水溶液与掺杂剂混合，然后滴涂在基底上，干燥，得到PEDOT:PSS自支撑薄膜；
[0010]将PEDOT:PSS自支撑薄膜退火后，浸入丙三醇的水溶液或金属盐的水溶液中，得到高电导率有机水凝胶。
[0011]进一步的，掺杂剂的用量为PEDOT:PSS的质量的30％～85％。
[0012]进一步的，丙三醇的水溶液的质量浓度为0～100％，金属盐的水溶液的质量浓度为10％～60％。
[0013]进一步的，金属盐为氯化锂、氯化镁、氯化钠、氯化铜、氯化铟或氯化镍。
[0014]进一步的，掺杂剂为1
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乙基
‑3‑
甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑氯盐、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑三氰基甲烷盐、1
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乙基
‑3‑
甲基咪唑硫酸乙酯盐、1
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乙基
‑3‑
甲基咪唑四氟硼酸盐、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂或者二甲基亚砜。
[0015]进一步的，将PEDOT:PSS自支撑薄膜退火前，将PEDOT:PSS自支撑薄膜浸入到乙醇中0.1～4h。
[0016]进一步的，退火的条件为：在130℃～140℃下以15分钟为一个周期退火1～3次。
[0017]进一步的，将PEDOT:PSS自支撑薄膜退火后，浸入丙三醇、丙三醇的水溶液或金属盐的水溶液中的时间为30s。
[0018]一种热电器件，包括如上所述方法制备的高电导率有机水凝胶。
[0019]一种应变传感器，特征在于，包括如上所述方法制备的高电导率有机水凝胶。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有显著的有益效果：本专利技术在不添加无机导电填料的情况下，制备了PEDOT:PSS水凝胶，首先通过一些和PEDOT:PSS之间有负离子交换自由能的有机溶剂DMSO或者离子液对PEDOT:PSS进行处理使得PEDOT和PSS发生相分离，导电的P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高电导率有机水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将PEDOT:PSS水溶液与掺杂剂混合，然后滴涂在基底上，干燥，得到PEDOT:PSS自支撑薄膜；将PEDOT:PSS自支撑薄膜退火后，浸入丙三醇的水溶液或金属盐的水溶液中，得到高电导率有机水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种高电导率有机水凝胶的制备方法，其特征在于，掺杂剂的用量为PEDOT:PSS的质量的30％～85％。3.根据权利要求1所述的一种高电导率有机水凝胶的制备方法，其特征在于，丙三醇的水溶液的质量浓度为0～100％，金属盐的水溶液的质量浓度为10％～60％。4.根据权利要求1所述的一种高电导率有机水凝胶的制备方法，其特征在于，金属盐为氯化锂、氯化镁、氯化钠、氯化铜、氯化铟或氯化镍。5.根据权利要求1所述的一种高电导率有机水凝胶的制备方法，其特征在于，掺杂剂为1
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乙基
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甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1
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乙基
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甲基咪唑氯盐、1
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乙基
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【专利技术属性】
技术研发人员：王洪，王晶，庄田田，孙旭，王一卓，代旭，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：