明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶及其制备方法和应用，该导电水凝胶的制备包括以下步骤：将石墨烯、微纤化纤维素、明胶与水/有机二元溶剂制成石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液，依次进行冷冻和解冻，得到明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶。本发明专利技术导电水凝胶具有强度高、可拉伸性好、导电性好、抗冻性好、保湿性好、柔性性能好、生物相容性好、透气性好等优点，其中拉伸强度可达到200KPa

【技术实现步骤摘要】
明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于复合水凝胶
，涉及一种明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，柔性可拉伸和人性化的设备在多功能可穿戴电子设备中引起广泛关注。作为软电子中的基本组件，可感知人体运动的可拉伸应变传感器促进了个性化健康检测、人体运动监测、电子皮肤和机器人的快速发展。基于天然蛋白质的水凝胶，比如明胶基水凝胶和丝素蛋白基水凝胶由于其具有生物相容性、降解性、无毒、细胞黏附等特性，在医疗设备及可穿戴设备中显现出了巨大的潜力。然而，明胶水凝胶具有较差的机械性能，如存在强度差、拉伸率低等缺陷，这使得它难以使用并限制了它的应用。在水凝胶中引入各种材料，例如碳基、纤维素、聚合物、金属纳米颗粒等进行复合，制备复合型水凝胶能够有效提高水凝胶的拉伸强度和柔韧度。但是，现有基于明胶的复合水凝胶仍然存在以下缺陷：制备过程复杂，反应体系pH有限制，并且氧化MFC过程中需要使用高碘酸钠等有毒物质；同时，基于明胶的导电水凝胶仍然存在以下缺陷：抗拉强度低，可拉伸性差，其中拉伸应力在120～180KPa。因此，获得一种强度高、可拉伸性好、导电性好、抗冻性好、保湿性好、柔性性能好、生物相容性好、透气性好的导电水凝胶以及与之匹配的工艺简单、操作方便、成本低廉、绿色环保、符合可持续发展理念的制备方法，对于提高导电水凝胶在柔性传感器中的广泛应用具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种强度高、可拉伸性好的明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶及其制备方法和应用。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。
[0005]一种明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1、将石墨烯、微纤化纤维素、明胶与水/有机二元溶剂混合，制成石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液；所述水/有机二元溶剂由水和有机溶剂混合而得；
[0007]S2、将石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液依次进行冷冻和解冻，得到明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶。
[0008]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述水/有机二元溶剂中水与有机溶剂的质量比为5～9∶2；所述有机溶剂为甘油和/或乙二醇。
[0009]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液的制备过程包括以下步骤：
[0010]S1
‑
1、将石墨烯与水/有机二元溶剂混合，超声分散，得到石墨烯分散液；
[0011]S1
‑
2、将微纤化纤维素与石墨烯分散液混合，超声分散，得到石墨烯/微纤化纤维素分散液；
[0012]S1
‑
3、将明胶与石墨烯/微纤化纤维素分散液混合，搅拌，超声处理，得到石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液。
[0013]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1
‑
1中，所述石墨烯分散液中石墨烯的质量浓度≤0.8wt％。
[0014]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1
‑
3中，所述石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液中微纤化纤维素的质量为微纤化纤维素和明胶总质量的1％～5％；所述石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液中石墨烯与明胶的质量比为1～2∶15～35。
[0015]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1
‑
1中，所述石墨烯分散液中石墨烯的质量浓度为0.4wt％～0.8wt％；所述超声分散的时间为30min～60min。
[0016]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1
‑
2中，所述超声分散的时间为30min～60min；
[0017]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1
‑
3中，所述搅拌在温度为60℃～70℃条件下进行；所述搅拌的转速为50r/min～120r/min；所述搅拌的时间为1.5h～2h；所述超声处理的时间为30min～60min。
[0018]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，将石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液倒入到模具中，用于制备目标形状的导电水凝胶；所述冷冻在
‑
20℃～0℃下进行；所述冷冻的时间为8h～16h；所述解冻在25℃进行；所述解冻的时间为2h～5h。
[0019]作为一个中的技术构思，本专利技术还提供了一种明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶，包括明胶；所述明胶中包裹有微纤化纤维素和石墨烯；所述明胶、微纤化纤维素和石墨烯的质量比为50～100∶1～5∶2～4。
[0020]上述的明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶，进一步改进的，所述明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶由上述的制备方法制得。
[0021]作为一个中的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶在制备柔性传感器中的应用。
[0022]上述的应用，进一步改进的，所述柔性传感器的使用方法包括以下步骤：
[0023](1)将明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶制成柔性传感器；
[0024](2)将柔性传感器固定在待检测物体表面；
[0025](3)连接电源，检测物体活动时的表面电阻变化。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0027](1)针对现有导电水凝胶存在的制备过程复杂，且抗拉强度不高、伸长率较低等缺陷，本专利技术创造性的提出了一种明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶的制备方法，先将石墨烯、微纤化纤维素、明胶与水/有机二元溶剂混合，制成石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液，其中水/有机二元溶剂由水和有机溶剂混合而得；然后对石墨烯/微纤化纤维素分散液依次进行冷冻和解冻，得到明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶。本专利技术中，将石墨烯、微纤化纤维素和明胶依次加入到水/甘油二元溶剂中，使得微纤化纤维素和石墨烯能够更加均匀的分散在明胶中，通过提高它们在明胶中的分散性，不仅能够有效降低传递应力，阻止微裂纹产生，提升复合水凝胶的机械性能，而且能够增强导电水凝胶的导电性，与此同时，以水/甘油二元溶剂作为溶剂，能够增强导电水凝胶的保湿型和抗冻性。在此基础上，将石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液依次进行冷冻和解冻，利用Gel独特的溶胶
‑
凝胶转变特
性，通过简单、高效的物理共混和氢键作用形成物理交联的大分子三维网络，在不引入任何化学交联剂的条件下，即可制备出具有高拉伸强度和可拉伸性能的石墨烯/微纤化纤维素/明胶(GR/MFC/Gel)导电水凝胶，具体来说，在冷冻过程中，明胶在低温下冷却凝胶化，并且在零度下，水分子被冻结形成冰块，体积膨胀，会挤压水凝胶中的明胶分子链和微纤化纤维素分子链，缩短链与链之间的距离，增加分子间氢键的可能性，增加水凝胶网络的物理交联程度，从而有利于强化材料的机械强度，进而在解冻过程中，冰块溶化，形成强度高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将石墨烯、微纤化纤维素、明胶与水/有机二元溶剂混合，制成石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液；所述水/有机二元溶剂由水和有机溶剂混合而得；S2、将石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液依次进行冷冻和解冻，得到明胶/微纤化纤维素/石墨烯导电水凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述水/有机二元溶剂中水与有机溶剂的质量比为5～9∶2；所述有机溶剂为甘油和/或乙二醇。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液的制备过程包括以下步骤：S1
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1、将石墨烯与水/有机二元溶剂混合，超声分散，得到石墨烯分散液；S1
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2、将微纤化纤维素与石墨烯分散液混合，超声分散，得到石墨烯/微纤化纤维素分散液；S1
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3、将明胶与石墨烯/微纤化纤维素分散液混合，搅拌，超声处理，得到石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1
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1中，所述石墨烯分散液中石墨烯的质量浓度≤0.8wt％；步骤S1
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3中，所述石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液中微纤化纤维素的质量为微纤化纤维素和明胶总质量的1％～5％；所述石墨烯/微纤化纤维素/明胶分散液中石墨烯与明胶的质量比为1～2∶15～35。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1
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【专利技术属性】
技术研发人员：邓鑫，焦晓岚，郑玲，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：