一种自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶及其制备方法，将氢键受体与氢键供体制备得到的深共晶溶剂与碱溶液混合，作为聚丙烯酰胺水凝胶的聚合介质

【技术实现步骤摘要】
一种自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于水凝胶及其制备方法
，具体涉及一种自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶及其制备方法，还涉及该多功能导电水凝胶作为导体，在传感器
、
生物电极贴片及储能器件中的应用
。

技术介绍

[0002]随着科学技术的快速发展，柔性电子设备引起了人们的广泛关注
。
通常情况下柔性电子器件是由柔性基底和传感层导电材料组成，或直接由导电材料组成的薄膜作为柔性器件
。
相较于传统的电子器件，柔性电子器件轻薄柔软，可弯曲，存在一定的拉伸性，制备工艺简单
。
尽管如此，柔性电子器件的基底与导电层之间的机械匹配问题会造成器件的性能有所缺陷，同时柔性基底有限的拉伸性
、
高杨氏模量等问题也限制了器件的实际应用
。
介于此，水凝胶由于一体化的特征及良好的机械性能被认为是应用于柔性电子器件最具潜力的材料
。
[0003]水凝胶是一种含有大量水的三维交联网络的高分子材料，具有优异的生物相容性
、
高组织相似性和性能的便于调控性在细胞
/
组织工程
、
储能器件
、
电子皮肤
、
软体机器人等领域受到了广泛研究
。
由于水凝胶含有大量的水分，基于水凝胶的器件不可避免因为水分的蒸发或冻结丧失性能，难以在室温或一些极端条件下进行应用
。
常见的策略，如在水凝胶基质中添加吸湿盐
、
有机溶剂或离子液体等，不能满足生物相容性
、
绿色和低成本的要求，因此需要寻找更好的策略解决水凝胶的抗冻保湿能力
。
[0004]深共晶溶剂是一种绿色环保，具有导电性
、
低蒸气压和低熔点的液体，将其与水凝胶基质结合有望解决水凝胶在不同环境下的存储和应用问题
。
同时随着应用需求的不断增加，对水凝胶的功能提出了更多的要求
。
当前大量的柔性器件在应用时需要额外的固定装置
(
绷带，胶带
)
，会对信号的精准采集带来困难及较大的误差
。
受海洋生物贻贝启发的自粘附特性被广泛研究，并在水凝胶领域得到了拓展
。
具有自粘附性能的器件应用到皮肤组织上时可以产生共形接触，提高传感器在捕获人体行为活动的准确性，降低信号噪声并及时反馈人体活动的异常状况，从而实现运动和健康实时监测
。
[0005]基于此，结合深共晶溶剂的特性与仿贻贝材料聚多巴胺的粘附性，开发一种具有自粘附抗冻保湿多功能水凝胶电子器件具有重要的应用价值，也是亟需解决的技术问题
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的之一在于提供一种自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶的制备方法
。
[0007]本专利技术的目的之二在于提供一种自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶
。
[0008]本专利技术的目的之三在于提供一种多功能导电水凝胶作为导体，在传感器
、
生物电极贴片及储能器件中的应用
。
[0009]本专利技术实现目的之一采用的技术方案是：提供一种自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1、
将氢键受体与氢键供体混合，加热反应一定时间，得到溶液
A
；
[0011]S2、
将所述溶液
A
与碱溶液混合得到溶液
B
，向溶液
B
中，加入纳米纤维素，搅拌使其分散，加入盐酸多巴胺继续搅拌一定时间，得到溶液
C
；
[0012]S3、
将丙烯酰胺
、
引发剂和交联剂加入溶液
C
中，混匀，经聚合反应，得到自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶
。
[0013]本专利技术的总体思路如下：研究发现，由深共晶溶剂和碱溶液组成的混合溶液相较于单纯的深共晶溶剂对于丙烯酰胺凝胶单体具有良好的溶解性
。
同时混合溶液中碱溶液的存在能够为多巴胺的氧化聚合提供碱性环境生成聚多巴胺
。
除此之外，生物相容性优异的纳米纤维素可根据纳米增强效应优化水凝胶的机械性能
。
因此，本专利技术以纳米纤维素作为增韧填料，聚多巴胺作为粘附成分，深共晶溶剂作为导电填料和抗冻组分，深共晶溶剂和碱溶液组成的混合溶液作为丙烯酰胺单体交联聚合的介质从而制备得到具有自粘附
、
抗冻保湿多功能导电水凝胶
。
[0014]在上述技术方案中，将深共晶溶剂与碱溶液结合得到的混合溶液作为丙烯酰胺单体的聚合介质，一方面解决了丙烯酰胺水凝胶单体在单纯的深共晶溶剂中难溶的问题，促进单体的充分溶解有助于形成结构良好的聚合物凝胶网络，提升水凝胶的机械性能；另一方面为多巴胺聚合生成含有大量邻苯二酚基团的聚多巴胺提供氧化聚合环境赋予水凝胶的自粘附功能
。
本专利技术制备得到的水凝胶仍然保留了深共晶溶剂的特点，即水凝胶具有导电性
、
抗冻性和保湿性，同时聚多巴胺的存在使水凝胶具备优异的自粘附性能
。
此外，将纳米纤维素作为增韧填料，利用其与水凝胶中其余组分的相互作用
(
氢键
、
物理缠绕等
)
起到增韧作用，进一步提高了水凝胶的机械强度，使其在形变过程中有良好的能量耗散机制，使柔性器件具有更好的应用性能，拓宽了该水凝胶作为传感器的工作范围
。
[0015]进一步地，步骤
S1
中，氢键受体与氢键供体的物质的量之比为
1:(1
～
3)
；所述氢键受体为氯化胆碱，所述氢键供体选自乙二醇
、
二乙二醇
、
丙三醇
、
尿素中的一种或多种的组合
。
[0016]优选地，所述氢键受体为氯化胆碱，所述氢键供体为乙二醇，两者的物质的量之比为
1:2。
以乙二醇为氢键供体的深共晶溶剂相较于其他深共晶溶剂具有更好的导电性能保湿性能
。
[0017]进一步地，步骤
S1
中，所述加热反应的温度为
80
～
120℃
，加热反应的时间为1～
3h。
优选地，加热反应的温度为
100℃
，加热反应的时间为
2h。
[0018]进一步地，步骤
S2
中，碱溶液的
pH
不宜过高，否则会影响聚多巴胺的合成并进一步影响凝胶单体的聚合，此外过高的碱性也不利于水凝胶在柔性可穿戴电子领域中与皮肤直接接触的应用
。
优选地，碱溶液的
pH
为8～
11。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
将氢键受体与氢键供体混合，加热反应一定时间，得到溶液
A
；
S2、
将所述溶液
A
与碱溶液混合得到溶液
B
，向溶液
B
中加入纳米纤维素，搅拌使其分散，再加入盐酸多巴胺继续搅拌一定时间，得到溶液
C
；
S3、
将丙烯酰胺
、
引发剂和交联剂加入溶液
C
中，混匀，经聚合反应，得到自粘附抗冻保湿多功能导电水凝胶
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
S1
中，氢键受体与氢键供体的物质的量之比为
1:(1
～
3)
；所述氢键受体为氯化胆碱，所述氢键供体选自乙二醇
、
二乙二醇
、
丙三醇
、
尿素中的一种或多种的组合；加热反应的温度为
80
～
120℃
，加热反应的时间为1～
3h。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
S2
中，碱溶液的
pH
为8～
11
，碱溶液选自
NaOH
溶液，
KOH
溶液，
LiOH
溶液，
Mg(OH)2溶液中的一种或多种的组合；所述溶液
A
与碱溶液的体积比为
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟，李权财，田彬，梁静，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：