[发明专利]TEMPO纳米纤维素-聚丙烯酸凝胶的制备方法及应用方法

说明书

本发明公开了一种TEMPO纳米纤维素‑聚丙烯酸凝胶的制备方法及应用方法，制备方法包括以下步骤：a.制备TEMPO纳米纤维素悬浮液；b.制备碳纳米材料分散液；c.TEMPO纳米纤维素悬浮液与碳纳米材料分散液混合，加入到聚丙烯酸水溶液中，加入交联剂，搅拌直至形成凝胶，即得碳纳米管‑TEMPO纳米纤维素‑聚丙烯酸凝胶。本发明把生物学的概念引入高分子材料，形成具有自愈合性能的智能型材料，延长材料的使用寿命，恢复和保留其原有的特性。并在某些应用中避免由于裂纹的堆积而导致的损坏，提高材料的安全性。

技术领域

本发明属于高分子复合导电材料领域，具体涉及一种TEMPO纳米纤维素-聚丙烯酸凝胶的制备方法及应用方法。

背景技术

聚丙烯酸(Polyacrylic acid，PAA)是一种水溶性有机高分子，因其良好的力学性能和生物相容性，被广泛用于制备水凝胶等生物医用材料。用它开发出的系列水凝胶在吸附剂、吸水保水剂、制退热贴、药物释放及复合成智能水凝胶等方面已经得到了广泛的应用。其中PAA制备的水凝胶具备自主愈合性能。为了改善PAA水凝胶的力学性能，愈合能力以及拓展应用领域，常把PAA水凝胶与其它材料进行复合。PAA水凝胶加入TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物)纳米纤维素来增强力学性能以及愈合性能，PAA水凝胶加入导电材料(聚苯胺、聚吡咯、碳纳米管、碳纳米管等)形成导电凝胶。

石墨烯(GNS)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。GNS的热导率可达5×103W·m^-1·K^-1，是金刚石的3倍。GNS是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，GNS的强度可达130Gpa.是钢100多倍；其载流子迁移率达1.5×104cm2·V^-1·s^-1，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍,超过商用硅片迁移率的10倍,在特定条件下(如低温骤冷等),其迁移率甚至可高达2.5×105cm2·V^-1·s^-1；而电阻率只约10-6Ω，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待用来开发新一代显示屏、传感器、超级电容器等。

碳纳米管(CNTs)的碳原子间以碳-碳π键结合，实验推算出CNT的杨氏模量平均为1.8Tpa，抗拉强度近250Gpa。此外，CNT还有很高的热稳定性和化学稳定性，优异的热传导能力、超导性能。是良好的力学增强物质和导电材料。

纤维素是自然界里储量最丰富的可再生高分子生物，它在地球上每年的产量可以达到750亿吨。纳米纤维素纤维(CNF)长度为10-1000nm，横截面尺寸只有5～20nm。轴向杨氏模量在110到220GPa之间，横向杨氏模量约为10至50GPa，抗拉强度约为7.6GPa，而密度仅为1.6g/cm^-3，是一种高强度的轻质纳米材料。TEMPO介导的氧化可以被认为是在水性条件下天然纤维素纤维的最有效的表面改性方法之一。理论上，纤维素的C6伯羟基通过C6醛基转化为羧酸酯基团。由于水凝胶具有自我修复的特性，在骨架链上选择性地引入大量羧基对我们的实验非常重要。

导电水凝胶不仅拥有一般水凝胶的高含水率及生物相容性，还由于导电物质的加入增强了其导电性及机械强度，在兼具传统水凝胶优点的同时，良好的导电性使其具有更高的实际应用价值。比如在保持固相尺寸稳定性的前提下，根据不同的电导率特点，其能应用在导电薄膜，涂层，电化促动器，传感器，化学阀，生物材料和人造肌肉等诸多方面。