[發明專利]一種高強度可拉伸的導電自愈合超分子水凝膠的制備方法

在審

• 申請號: 201910095669.6
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109880123A
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 張曉靜;沈煒煒;孟陽;竇競成;蔣楠;方少明
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業學院
• 主分類號: C08J3/075
• 分類號: C08J3/075;C08F283/12;C08F220/56;C08L51/08
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張志軍

本發明公開了一種高強度可拉伸的導電自愈合超分子水凝膠的制備方法，設計利用水溶性離子型籠型聚倍半硅氧烷（POSS）與帶有相反電荷離子的可聚合單體通過靜電相互作用絡合，形成一種超分子單體，同時原位生成氯化鈉小分子電解質，進而與丙烯酰胺原位自由基共聚，得到一種含有籠型聚倍半硅氧烷的聚丙烯酰胺超分子納米復合水凝膠，該凝膠較普通的聚丙烯酰胺水凝膠導電性大大提高，而且具有高強度可拉伸性能，此外，該超分子水凝膠具有自愈合性能。該多功能性超分子水凝膠可用于柔性可穿戴電子設備材料。

技術領域

本發明屬于新材料技術領域，具體涉及一種高強度可拉伸的導電自愈合超分子水凝膠的制備方法。

背景技術

導電水凝膠由于具有一定的柔韌性和導電性能在生物傳感器、柔性電子器件材料和組織工程材料等領域占有獨特的地位，是近年來研究的熱點智能材料。按導電介質導電水凝膠可分為聚電解質水凝膠、導電高分子水凝膠和酸摻雜水凝膠三類。其中以聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等電活性高分子為主要成分的導電高分子水凝膠具有較高的電導率，但其生物毒性和顏色限制了該類水凝膠的進一步應用。酸摻雜水凝膠則對使用環境要求苛刻，也局限了該水凝膠的應用范圍。相對而言，聚電解質水凝膠則具有更好的穩定性和環境適應性，具有更廣闊的應用前景。但傳統的聚電解質導電水凝膠機械性能低，柔韌性比較差，尤其當水凝膠中含水量提高時，其拉伸和壓縮強度大幅下降，甚至發生碎裂。而且功能較為單一，不能滿足先進材料和器件的多元化需求。提高水凝膠力學強度的方式主要包括制備拓撲結構水凝膠、疏水締合水凝膠、雙網絡結構水凝膠以及納米復合水凝膠，其中納米復合水凝膠，由于具有高強度、復合手段多樣化和具備有機無機雜化材料的協同效應而備受關注。用于提高導電水凝膠的納米添加劑主要有石墨烯、碳納米管、富勒烯和金屬顆粒等具有導電性的無機納米粒子。但目前的導電納米復合水凝膠還存在一些問題如：溶脹度過高導致穩定性和力學性能大幅下降，拉伸性能如伸長率仍小于1000%，碳納米管基導電水凝膠還存在一定的生理毒性，石墨烯基水凝膠顏色存在較大局限性等。為滿足生物醫藥、生物電子器件和組織工程等領域對先進材料的諸多要求，對導電水凝膠的多功能化需求也日益顯現。要解決以上問題，需要對導電水凝膠的設計提出一種全新的思路，探索具有高強度、低溶脹度、自愈合性能且透明的導電水凝膠的制備方法。

多面體倍半硅氧烷( polyhedral oligomeric silsesquioxanes, POSS) 具有有機/無機籠狀結構，籠子的骨架由硅氧元素組成，而籠子的外部則被有機取代物所覆蓋POSS整個分子的直徑一般在1~3 nm。由于POSS 的籠狀表面是由有機取代物所組成，這使得它具有很好的聚合物相容性、生物相容性和其他一些表面相容性。與其他上述納米增強劑不同的是，POSS分子具有確定的大小和分子量，表面官能團的數量與位置精確可控，具有更強大的分子設計性，更易得到所期望的特定分子結構的高性能或功能材料。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種高強度可拉伸的導電自愈合超分子水凝膠的制備方法，設計利用水溶性離子型籠型聚倍半硅氧烷（POSS）與帶有相反電荷離子的可聚合單體通過靜電相互作用絡合，形成一種超分子單體，同時原位生成氯化鈉小分子電解質，進而與丙烯酰胺原位自由基共聚，得到一種含有籠型聚倍半硅氧烷的聚丙烯酰胺超分子納米復合水凝膠，該凝膠較普通的聚丙烯酰胺水凝膠導電性大大提高，而且具有高強度可拉伸性能，此外，該超分子水凝膠具有自愈合性能。該多功能性超分子水凝膠可用于柔性可穿戴電子設備材料。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種高強度可拉伸的導電自愈合超分子水凝膠的制備方法，步驟如下：

將POSS加入帶有相反電荷的可聚合單體溶液中充分溶解后，加入丙烯酰胺單體（AM），超聲振蕩溶解，加入過硫酸鉀（KPS）固體，置于冰水浴中通入氮氣5分鐘除去體系中的氧氣，加入少量N,N,N',N'-四甲基乙二胺（TEMED）液體，室溫反應24小時，將產物放入去離子水中浸泡10分鐘，除去未反應的單體、反應副產物和線形的PAM，得超分子水凝膠POSS/PAM。