一种兼具力学性能和抗溶胀性能的导电水凝胶的制备方法技术

本发明专利技术为一种兼具力学性能和抗溶胀性能的导电水凝胶的制备方法。该方法包括以下步骤：(1)将丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酸十六酯、交联剂和引发剂加入到水中，混合后搅拌30

【技术实现步骤摘要】
一种兼具力学性能和抗溶胀性能的导电水凝胶的制备方法


[0001]本专利技术属于高分子水凝胶材料
，具体涉及一种双网络导电水凝胶的制备以及水凝胶的力学性能和抗溶溶胀性能测试。

技术介绍

[0002]海藻酸是天然线形高分子多糖，主要来源于褐藻类如海带和马尾藻的细胞壁及细胞基质。海藻酸钠是海藻酸的钠盐，具有增稠、悬浮、乳化、稳定、形成凝胶、形成薄膜和纺织纤维等特性，在食品、造纸、化妆品、医药等领域应用广泛。在美国，它被誉为“奇妙的食品添加剂”；在日本被誉为“长寿食品”。
[0003]海藻酸钠主要来源于褐藻门，如海带属、巨藻属、马尾藻属等，主要存在于海藻细胞的细胞基质和细胞壁，并赋予细胞一定的力学性能。研究发现在细胞中的海藻酸主要是以海藻酸钙的形式存在，也有部分以海藻酸镁、海藻酸钾及海藻酸钠的形式存在。经研究发现不同类型的海藻中，海藻酸的分子量不同，含量也不同，海藻酸在海藻细胞中的含量大约为干重的20％左右，其含量随季节的改变而变化。
[0004]水凝胶是一种亲水的三维网状高分子聚合物，吸水后重量可达到自身重量的几十到几百倍，自身不溶于水，能够吸收大量水分且具有三维网络结构的软物质。坚韧水凝胶由于其类似生物组织的高含水量、柔软性、韧性和可拉伸性而在软电子产品中引起了相当大的关注。合成水凝胶已被设计用于通过引入动态键如H
‑
键、席夫碱键、金属
‑
配体配位和离子相互作用进行自修复。然而，大多数报道的自修复水凝胶在潮湿条件下是不稳定的，并且它们的机械韧性在潮湿等极端条件下会下降。水分子可以干扰动态键的重新连接，例如H键的饱和、与金属阳离子的配位或离子的溶剂化，并且因此，材料不稳定。此外，由于弱键合，所得水凝胶通常相对较弱。鉴于这一挑战，我们通过简单的“一锅煮”法进行引发剂聚合制备了具有抗溶胀性能和良好的力学性能的水凝胶。海藻酸钠(C6H7O6Na)n是海藻酸的钠盐，由β－(1
→
4)D—甘露糖醛酸(M段)和α－(1
→
4)L—古洛糖醛酸(G段)残基通过α－1，4—糖苷键连接而成，并由不同比例的GM、MM和GG片段组成的共聚物。海藻酸钠为白色或浅黄色纤维、颗粒或粉末，几乎无臭无味、且无毒。在食品、造纸、化妆品、医药等领域应用广泛。
[0005]为了优化水凝胶电子器件的实际应用，已经投入了巨大的努力来构建具有不同有前途功能的各种水凝胶电子器件，例如自粘、耐温、自愈和非溶胀。其中，水下水凝胶电子器件在植入式电子器件、脑电极和水下监测方面引起了极大的兴趣。因此，构建具有良好的力学性能和抗溶胀的水凝胶对于柔性电子在潮湿或水生环境中的有前途的应用是至关重要的。水凝胶的非溶胀性质倾向于需要高度交联以抵抗溶胀应力，但高度交联的网络不可避免地限制了水凝胶的力学性能，水下传感技术在潜水员进行海洋探测中具有重要意义，可以监测其运动并与海岸保持联系。然而，需要独特的传感器应用于与陆地环境完全不同的海洋环境。
[0006]因此，开发一种制备简单、具有良好的力学性能和抗溶胀性能的水凝胶具有深远意义。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于通过简单的“一锅煮”法提供一种力学性能良好且具有抗溶胀性能的导电水凝胶。该方法利用第一网络中的丙烯酸和第二网络中的海藻酸钠均可以和铝离子进行金属配位作用，成功实现了第一网络和第二网络之间的联结。此外，氯化铝的引入不但可以进行金属配位作用，而且可以释放出的大量游离氯离子。游离氯离子加上2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸中的磺酸基使水凝胶具有导电性。本专利技术中静电相互作用和疏水缔合作用的第一网络和金属配位交联的第二网络之间的协同作用，有助于提高水凝胶的力学性能和抗溶胀性，提供的双网络导电水凝胶有望能够用作高效的可穿戴式水下传感器。
[0008]本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种兼具力学性能和抗溶胀性能的导电水凝胶的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0010](1)将丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酸十六酯、交联剂和引发剂加入到水中，混合后搅拌30
‑
60min，得到第一溶液；
[0011]其中，每20mL水加入1～5g丙烯酸；质量比为，丙烯酸：丙烯酰胺：丙烯酰胺衍生物：甲基丙烯酸十六酯＝1:(0.9
‑
1):(0.015
‑
0.06):(0.048
‑
0.073)；
[0012]所述的丙烯酰胺衍生物具体为2
‑
丙烯酰胺
‑
2丙磺酸；
[0013]丙烯酰胺衍生物与引发剂的质量比为1:0.8～1.2；
[0014]交联剂的质量为第一网络原料百分含量的11.65
‑
12.62％；所述的第一网络原料为丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物和HMA。
[0015](2)将海藻酸钠和六水合三氯化铝溶解到第一溶液，得到第二溶液，然后在80
‑
85℃下进行恒温反应0.5
‑
1小时，冷却得到水凝胶；
[0016]其中，质量比为，步骤(1)中丙烯酰胺和步骤(2)中六水合三氯化铝＝1：0.03
‑
0.15；每0.1g海藻酸钠加入0.1～0.3g六水合三氯化铝；
[0017]所述的海藻酸钠粘度为200
±
20mp.s。
[0018]在本专利技术中，通过调整二者的质量比，使得制备得到的双网络导电水凝胶的抗溶胀性和力学性能实现了平衡。
[0019]步骤(1)中交联剂为甲叉双丙烯酰胺和十六烷基三甲基溴化铵；二者的质量比1:400；所述步骤(1)中引发剂为过硫酸钾。
[0020]所述步骤(1)中混合在搅拌下进行。
[0021]所述步骤(1)在室温下进行磁力搅拌；
[0022]本专利技术的实质性特点为：
[0023]本专利技术提供一种双网络导电水凝胶，所述双网络导电水凝胶的结构是由第一网络和第二网络相互作用构成的；
[0024]所述第一网络为丙烯酸/丙烯酰胺/2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸通过静电相互作用和疏水缔合作用形成的网络；
[0025]所述第二网络为海藻酸钠和铝离子通过金属配位作用交联形成的网络。
[0026]本专利技术通过丙烯酸与丙烯酰胺及2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸进行共聚并引入阳离子表面活性剂CTAC形成疏水缔合作用，再结合甲基丙烯酸十六酯的静电相互作用形成第一
网络。此外，在第二网络中选择大分子海藻酸钠，海藻酸钠中具备羧基，由于羧基和金属之间具有强烈的配位作用，在金属配位作用下第一网络和第二网络不是单纯的互穿而是相互交联，除金属配位之间的作用，第一网络和第二网络之间还会形成氢键相互作用，使得水凝胶结构更加稳固且可以阻止水分子对水凝胶结构的破坏。在制备过程中由于我们向水凝胶中引入了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具力学性能和抗溶胀性能的导电水凝胶的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：(1)将丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酸十六酯、交联剂和引发剂加入到水中，混合后搅拌30
‑
60min，得到第一溶液；其中，每20mL水加入1～5g丙烯酸；质量比为，丙烯酸：丙烯酰胺：丙烯酰胺衍生物：甲基丙烯酸十六酯＝1:(0.9
‑
1):(0.015
‑
0.06):(0.048
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0.073)；所述的丙烯酰胺衍生物具体为2
‑
丙烯酰胺
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2丙磺酸；丙烯酰胺衍生物与引发剂的质量比为1:0.8～1.2；交联剂的质量为第一网络原料百分含量的11.65
‑
12.62％；所述的第一网络原料为丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物和HMA；(2)将海藻酸钠和六水合三氯化铝溶解到第一溶液，得到第二溶液，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：李栋禅，周馨，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
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