纳米纤维复合膜增强有机水凝胶、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种纳米纤维复合膜增强有机水凝胶、制备方法及其应用。所述方法通过离子吸附和原位还原相结合的方法将AgNPs和PVP修饰于PU纳米纤维表面，得到具有多层级核壳结构的PVP/Ag@PU复合膜，随后在复合膜两侧均匀涂覆上相同厚度的PVA有机水凝胶前体溶液，经冻融循环，得到纳米纤维复合膜增强有机水凝胶。本发明专利技术的复合有机水凝胶在三种不同长度尺度上拥有协同增强增韧机制，具有优异的机械性能；同时具有高导电性和优异的环境耐受性，可用于高性能应变传感和电磁屏蔽，在多功能和可穿戴电子产品中具有广阔的应用前景。穿戴电子产品中具有广阔的应用前景。穿戴电子产品中具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
纳米纤维复合膜增强有机水凝胶、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种纳米纤维复合膜增强有机水凝胶、制备方法及其应用，属于功能高分子材料制备


技术介绍

[0002]有机水凝胶弹性体具有优异的柔韧性、可拉伸性、生物相容性、抗冻性等优点，在柔性可穿戴电子产品领域显示出广阔的应用前景。通常，有机水凝胶由含水和有机溶剂的混合体系中的交联聚合物网络组成，主要通过化学交联和物理交联这两种策略来制备有机水凝胶。化学交联通常在聚合过程中完成。物理交联的有机水凝胶通常是在循环冻融或溶剂交换的方法下形成的。冷冻和不良溶剂会诱导大分子链聚集并促进再凝胶化，当体系中形成足够的交联点时，就能构筑起有机水凝胶的聚合物网络。
[0003]尽管有机水凝胶的机械性能可通过改变有机溶剂和水之间的比例来调整，但其固有的高液体含量和松散的聚合物结构仍使其表现出较弱的机械性能。此外，有机水凝胶通常缺乏功能性，这严重限制了其应用。目前主要利用在有机水凝胶网络结构中引入纳米填料的方法来提高有机水凝胶的机械性能，同时改善其功能性。例如，Ye等人通过将聚乙烯醇(PVA)溶解于分散后的纤维素纳米纤维(CNF)悬浮液，再通过一次冻融循环形成凝胶后，置于NaCl溶液中进行溶剂交换，所获得的离子有机水凝胶断裂强度达到2.1MPa，比纯PVA有机水凝胶高出4倍左右，但断裂伸长率略有下降，同时其离子电导率赋予了该有机水凝胶应变传感性能(Ye Y,Zhang Y,Chen Y,et al.Cellulose nanofibrils enhanced,strong,stretchable,freezing
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tolerant ionic conductive organohydrogel for multi
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functional sensors[J].Advanced Functional Materials,2020,30(35):2003430.)。除了离子有机水凝胶外，有研究还通过使用碳纳米材料如MXene和碳纳米管(CNTs)作为纳米填料制备导电复合水凝胶。例如，有研究通过将聚多巴胺修饰的CNTs与含有共聚物的甘油/水溶液混合，再共聚后获得的复合水凝胶具有增强的机械性能和导电性。Liao等人通过聚合和溶剂交换的策略制备了基于MXene的有机水凝胶，该复合有机水凝胶可用于应变传感和人体运动监测(Liao H,Guo X,Wan P,et al.Conductive MXene nanocomposite organohydrogel for flexible,healable,low
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temperature tolerant strain sensors[J].Advanced Functional Materials,2019,29(39):1904507.)。
[0004]虽然通过引入纳米填料的方式可以在一定程度上改善有机水凝胶的机械性能和电性能，但它们在高浓度下存在易聚集的问题。此外，仍然难以在纳米填料和大分子之间实现良好的界面相互作用，从而将应力从软聚合物完全转移到刚性纳米填料上。因此，纳米填料分散性差、界面相互作用弱，极大地限制了有机水凝胶机械性能的增强，甚至会导致其下降。同时，诸如应变传感之类的功能会变得不稳定，尤其是在长期使用期间。因此，需要开发具有良好纳米填料分散性和强界面相互作用的机械坚固和多功能复合有机水凝胶。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种纳米纤维复合膜增强有机水凝胶、制备方法及其应用。本专利技术通过刮涂和冻融相结合的方式制备了一种具有三明治结构的多功能纳米纤维复合膜增强有机水凝胶，其具有优异的多层级界面相互作用，表观呈三明治状结构。经过银纳米颗粒(AgNPs)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰后的热塑性聚氨酯(PU)纳米纤维复合膜具有高导电率，其作为中间层与上下两层凝胶通过三种不同长度尺度的协同增强增韧机制，显著改善了有机水凝胶的机械性能。此外，该复合有机水凝胶的高导电性和优异的环境耐受性，可应用于高性能应变传感和电磁屏蔽。特别是，由于凝胶的存在可稳定纳米纤维复合膜的导电网络，该复合有机水凝胶表现出优异的传感稳定性和耐用性。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案如下：
[0007]纳米纤维复合膜增强有机水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，将PVA水溶液和甘油混合，在100
±
5℃下搅拌均匀，然后在60
±
5℃下静置消泡，得到PVA浓度为10wt％的PVA/甘油/水溶液；
[0009]步骤2，在65
±
5℃下，将PU粒料搅拌溶解于N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)的混合溶液中，作为静电纺丝溶液，采用静电纺丝技术，制得PU纳米纤维膜；
[0010]步骤3，将PU纳米纤维膜浸泡在聚乙烯吡咯烷酮/三氟乙酸银(PVP/STA)的乙醇溶液中，浸渍完全后干燥，再浸泡在水合肼还原液中进行还原，取出洗净后干燥，得到导电纳米纤维复合膜，所述的PVP/STA的乙醇溶液中，STA的浓度为10
±
1wt％；
[0011]步骤4，先在玻璃片上涂覆一层PVA/甘油/水溶液，再将导电纳米纤维复合膜置于玻璃片的PVA/甘油/水溶液上，使膜完全贴合于下层凝胶，再将剩余的PVA/甘油/水溶液经加热后均匀涂覆在导电纳米纤维复合膜上，经冻融循环，制得纳米纤维复合膜增强有机水凝胶。
[0012]优选地，步骤1中，PVA水溶液的浓度为20wt％，通过将PVA加入水中，先在100℃下搅拌5h，再室温静置5h制备而成。
[0013]优选地，步骤1中，搅拌时间为30min，静置消泡时间为2h。
[0014]优选地，步骤2中，搅拌时间为12h。
[0015]优选地，步骤2中，静电纺丝溶液中，PU的浓度为15wt％，DMF和THF的质量比为4:1。
[0016]优选地，步骤2中，静电纺丝电压为15kV，进样速度为1mL/h，接收距离为12cm，纺丝时间为12h。
[0017]优选地，步骤2中，PU纳米纤维膜的厚度为120μm。
[0018]优选地，步骤3中，PVP/STA乙醇溶液中，PVP的浓度为4wt％。
[0019]优选地，步骤3中，浸渍完全后的干燥温度为80℃，干燥时间为30s。
[0020]优选地，步骤3中，所述的水合肼还原液的浓度为33wt％，其溶剂由体积比为1:1的水和乙醇组成。
[0021]优选地，步骤3中，还原时间为1h，取出洗净后的干燥温度为37℃，干燥时间为1h。
[0022]优选地，步骤4中，冻融循环的条件为：先在
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25℃下冷冻12h，再在25℃下解冻3h。
[0023]优选地，步骤4中，纳米纤维复合膜增强有机水凝胶的厚度为360μm。
[0024]本专利技术提供上述制备方法制得的纳米纤维复合膜增强有机水凝胶。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.纳米纤维复合膜增强有机水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将PVA水溶液和甘油混合，在100
±
5 ℃下搅拌均匀，然后在60
±
5 ℃下静置消泡，得到PVA浓度为10 wt%的PVA/甘油/水溶液；步骤2，在65
±
5 ℃下，将PU粒料搅拌溶解于DMF和THF的混合溶液中，作为静电纺丝溶液，采用静电纺丝技术，制得PU纳米纤维膜；步骤3，将PU纳米纤维膜浸泡在PVP/STA的乙醇溶液中，浸渍完全后干燥，再浸泡在水合肼还原液中进行还原，取出洗净后干燥，得到导电纳米纤维复合膜，所述的PVP/STA的乙醇溶液中，STA的浓度为10
±
1 wt%；步骤4，先在玻璃片上涂覆一层PVA/甘油/水溶液，再将导电纳米纤维复合膜置于玻璃片的PVA/甘油/水溶液上，使膜完全贴合于下层凝胶，再将剩余的PVA/甘油/水溶液经加热后均匀涂覆在导电纳米纤维复合膜上，经冻融循环，制得纳米纤维复合膜增强有机水凝胶。2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，PVA水溶液的浓度为20 wt%，通过将PVA加入水中，先在100 ℃下搅拌5 h，再室温静置5 h制备而成。3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，搅拌时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：高杰峰，文静，吴永川，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：