[發明專利]一種高透明、高拉伸、高導電離子水凝膠的制備方法

有效

• 申請號: 202110283259.1
• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN113004459B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 劉群峰;龍志軍
• 申請（專利權）人: 佛山職業技術學院
• 主分類號: C08F220/54
• 分類號: C08F220/54;C08F222/38;C08F220/20;C08F220/06;C08F220/58;C08F220/56;C08F2/44;C08K7/00;C08K3/34;C08K5/521
• 代理公司: 佛山東平知識產權事務所(普通合伙) 44307
• 代理人: 龍孟華

本發明公開一種高透明、高拉伸、高導電離子水凝膠的制備方法，其特征在于，以植酸及其鹽類作為導電劑兼穩定分散劑，復配設計出納米鋰藻土的穩定分散體系；該穩定分散體系的制備方法為：納米鋰藻土先溶于水中，然后依次加入穩定分散劑、單體、交聯劑和引發劑形成透明溶液，最后對透明溶液進行光固化反應，獲得高透明、高拉伸、高導電離子水凝膠。經實驗驗證，本發明采用的植酸及其鹽類配置納米鋰藻土反應水溶液，配置出的反應溶液具有長期穩定性，在室溫下放置一個月以上呈現溶液狀態。而本發明制得的離子水凝膠，其不僅具有高透明、高拉伸性能，而且，電導率可達2S/cm，遠遠優于現有技術。

技術領域

本發明涉及一種高性能水凝膠材料，尤其是一種高透明、高拉伸、高導電離子水凝膠材料的制備方法與應用。

背景技術

基于導電水凝膠的柔性傳感器在可穿戴設備、可植入器件、軟機器人、以及人機交互系統等領域有廣闊應用前景。作為人機界面的理想載體之一，越來越多的研究將水凝膠應用于生物電子等電子器件。然而導電水凝膠材料還存在一些不足，限制了其實際應用，水凝膠的性能仍需進一步提高，如：1）大部分凝膠自身的力學性能（模量、強度、斷裂能等）不足，拉伸容易斷裂，不能滿足荷載柔性器件需求；特別是當水凝膠承受動態力學載荷時（比如水凝膠作為心臟貼片、軟骨替代物），需要設計抗疲勞的水凝膠以及與其他材料抗疲勞的粘接性能；2）存在高機械性能和導電性不能兼顧的問題；3）在柔性光學顯示等方面應用還需要具有良好的透光性。因而，開發出兼具高拉伸、高透明、高導電等性能的理想離子導電水凝膠材料可較好的滿足柔性電子器件應用方面的要求。

但是制備出兼具高拉伸、高透明、高導電的離子導電水凝膠還是一個難題，目前這類性能的離子凝膠體系還比較少?，F階段基于納米鋰藻土的復合體系制備高力學性能的水凝膠已成為一種凝膠增強的主要方法，且制備的水凝膠具有高度透明性。但是這種納米鋰藻土體系對離子物質不兼容，在體系中加入離子物質后，凝膠體系會發生微觀相分離，用于制備凝膠的溶液體系容易聚集變成不流動狀態，制備的凝膠變得不透明，凝膠力學性能下降。所以采用納米鋰藻土體系制備兼具高拉伸、高透明、高導電的離子導電水凝膠比較困難。

這是由納米鋰藻土的組成和結構特征決定的，納米鋰藻土如Laponite（商品名）為層狀硅酸鹽結構，在鎂氧八面體的兩邊各有一個共用氧原子的硅氧四面體，其中部分二價的鎂原子被一價鋰原子置換，使粒子表面帶有永久負電荷。由于電荷之間的排斥力，納米鋰藻土在水中能夠分散成單層片層，從而成為溶液狀態。納米鋰藻土片層在水凝膠的交聯網絡中起多官能度交聯點的作用，賦予水凝膠高拉伸等優良的力學性能。納米鋰藻土水分散液的穩定性與pH值、離子強度等密切相關。在較低的離子強度下，納米鋰藻土水分散液由于靜電排斥作用而穩定；在較高的離子強度下，納米鋰藻土在水中的分散與凝膠化幾乎同時發生；隨著離子強度提高，由于雙電層被壓縮，片層之間的排斥力減弱，而分散的片層會重新聚集。造成體系微觀相分離和團聚現象，表現為離子強度升高則分散液變渾濁，甚至絮凝。因而對水凝膠的力學性能和光學性能都產生了不利的影響。

利用納米鋰藻土如Laponite制備出兼具高拉伸、高透明、高導電的理想離子導電水凝膠，首先要設計與納米鋰藻土兼容的離子導電體系，解決離子體系與納米鋰藻土兼容的問題。前期的一些研究報道了一些特殊的復配體系，可以一定程度提高納米鋰藻土Laponite的耐離子性能，如添加十二烷基硫酸鈉（簡稱SDS）和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（簡稱AMPS）（Journal of Polymer Research, 2014，21：541）等可以制備透明的Laponite離子凝膠，劉群峰采用檸檬酸鈉等制備透明的Laponite離子凝膠（Chemical PhysicsLetters, 2020, 754:137667.）。但是體系大部分采用弱的電解質作為離子體系，因而這類離子凝膠的導電性不高。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種兼具高透明、高拉伸、高導電的離子水凝膠制備方法。

為達到以上目的，本發明采用如下技術方案。