[發明專利]離子導電雙網絡水凝膠及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910705371.2
• 申請日: 2019-08-01
• 公開（公告）號: CN110527112A
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: 袁偉忠;楊博文
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C08J3/075
• 分類號: C08J3/075;C08J3/24;C08L33/14;C08L5/12;C08K3/16;C08K3/38;C08K3/30
• 代理公司: 31290 上海科律專利代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 葉鳳<國際申請>=<國際公布>=<進入國

本發明提供了一種離子導電雙網絡水凝膠及其制備方法和應用，制備方法為以水溶性鹽電解液提供導電離子，氫鍵交聯的瓊脂為第一交聯網絡，化學交聯的聚2?(甲基丙烯酰基氧基)乙基?二甲基?(3?磺酸丙基)氫氧化銨為第二交聯網絡，通過紫外光引發得到；本發明的離子導電雙網絡水凝膠可以在溫度?應變雙重傳感器或電致發光裝置中應用；本發明的離子導電雙網絡水凝膠具有高透明性、高拉伸強度、高斷裂伸長率、溫度和應變雙重傳感性、傳感范圍廣和靈敏系數高的特點，在可視化可穿戴設備、彈性電致發光、智能人工皮膚等領域具有廣闊的應用前景；本發明的制備方法簡單易行，制備周期短，原料綠色環保，可工業化生產，從而具有很好的推廣應用價值。

技術領域

本發明屬于高分子材料和智能電子技術領域，具體涉及一種離子導電雙網絡水凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

近來先進智能柔性電子設備大量涌現，如電子皮膚、可伸縮傳感器、機器人和基于軟材料的執行器等。這些柔性電子設備通常要求高機械變形匹配度，包括彎曲、折疊、扭曲和拉伸。一般地，這些智能電子設備由彈性體基底如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex通過復合電子導電填料(液態金屬、銀納米線、石墨烯、碳納米管、導電高分子等)構建導電閾滲網絡來制備。Yu et al報道了一種經結構設計采用碳納米管有序陣列復合聚二甲基硅氧烷的透明柔性應變傳感器(Yu Y,Luo Y,Guo A,et al.Flexible and transparent strainsensors based on super-aligned carbon nanotube films[J].Nanoscale,2017,9(20):6716-6723.)。Wang et al報道了一種聚苯胺導電聚合物應變傳感水凝膠，提升了傳感器的可拉伸性(Wang T,Zhang Y,Liu Q,et al.A self-healable,highly stretchable,andsolution processable conductive polymer composite for ultrasensitive strainand pressure sensing[J].Advanced Functional Materials,2018,28(7):1705551.)。然而，盡管實現高靈敏度，其結構設計復雜，應變傳感范圍窄，透明度低，不能為超柔性可穿戴產品的數據可視化提供進一步發展。而且，它們的可拉伸范圍相對較低(通常小于500％)，這極大地限制了其傳感范圍。

作為生物系統模仿者，可拉伸的水凝膠離子導體最近引起了人們的關注，成為開發柔性特別是可拉伸裝置的另一種手段。發明專利CN 109294133A公布了一種溶膠-凝膠法制備得到的可拉伸自愈合水凝膠柔性應變傳感器。作為一種同時含有固體和液體的軟物質，水凝膠具有更加類似人體皮膚的行為。水凝膠通常具有固有的伸縮性和透明性。將水凝膠作為離子導體，可通過其高嵌量的水以溶解導電鹽離子，形成離子傳輸電流，而離子液體不會從水凝膠中泄漏。導電離子通常從溶解的鹽中獲得，例如氯化鋰或氯化鈉。水凝膠基體從本質上影響著系統的機械性能。傳統的只具有單一組分或結構的水凝膠基離子導體強度低，斷裂伸長率低，不能滿足新一代超拉伸導電材料的性能要求。聚兩性離子聚合物聚2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基-二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨是一種可生物降解的生物相容的天然聚電解質，可用作水凝膠組分，提供大量導電離子確保離子水凝膠的高靈敏度。化學交聯的聚兩性離子聚合物聚2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基-二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨側基上含有氨基和磺酸基團，可與瓊脂形成大量的氫鍵，產生物理交聯網絡，形成多重弱動態網絡。通過引入雙網絡結構及其犧牲鍵的能量耗散機理，形成的水凝膠機械性能將大幅提高。在凝膠受到拉伸時，第一網絡由于溶脹效應，變得剛而脆，應對外力先斷裂犧牲，大量耗散了施加于凝膠上的力，第二網絡則用于橋接斷裂的第一網絡從而維持凝膠的整體性，回復過程中犧牲鍵重建。由此雙網絡水凝膠被賦予了高力學性能，從而提高水凝膠在實際應用環境中的耐受性。將導電離子與高強的雙網絡凝膠基體相復合，可得到高性能的離子導體，其在可穿戴設備、智能傳感領域具有廣泛的應用前景。

發明內容