[发明专利]一种各向异性的高强高韧有机水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种能够应用在应变传感器的具有各向异性结构的高强韧化有机水凝胶，属于高分子材料领域。本发明提供一种导电有机水凝胶的制备方法，所述制备方法为：以聚乙烯醇或聚乙烯醇/其他可溶性聚合物共混物作为基体，在溶剂和导电粒子的作用下，通过冷冻‑熔融的方式先制得水凝胶；再将该水凝胶通过拉伸定型制得具有各向异性结构的导电有机水凝胶；其中，所述溶剂为水和不挥发性溶剂的混合溶剂。本发明所得水凝胶具有各向异性结构，并且兼具优异的导电性和高力学性能，可以作为生物应变传感器在非常宽的温度范围反复使用。

技术领域

本发明涉及一种能够应用在应变传感器的具有各向异性结构的高强韧化有机水凝胶，属于高分子材料领域。

背景技术

作为下一代可穿戴和可植入电子基体之一，水凝胶可以提供非常好的生物相容性和柔软性，从而可将人体与电子器件连接起来。近年来，有许多学者通过在水凝胶中引入导电粒子或者离子的形式制备导电水凝胶，作为应变传感器应用在可穿戴和可植入电子设备中。然而，传统水凝胶中的聚合物网络一般是稀疏且不均匀的微米级三维网络。这种稀疏、不均匀的微米级三维网络给水凝胶带来了许多缺点，比如水凝胶的水分极易挥发、半透明性和脆性大等。

一般而言，常见的水凝胶如聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAM)等由于网络结构松散、孔径结构不均匀，导致其力学性能很差，断裂能只有10J/m²左右，这严重限制了水凝胶的实际应用。聚乙烯醇(PVA)作为一种典型的物理交联的水凝胶基体，由于其良好的生物相容性和生物可降解性在临床医学、生物医疗领域得到了广泛的应用。但是，由于物理交联的PVA水凝胶网络结构也十分松散且交联密度不高导致了其力学性能较差，特别是疲劳力学性能差。物理交联的PVA水凝胶的疲劳阈值只有20J/m²左右，这说明有缺口的PVA水凝胶很容易在循环拉伸过程中发生断裂，不适于长期使用。所以，通过简单方法制备导电、强韧化且长期稳定使用的水凝胶是目前该领域关注的重点和难点。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种导电有机水凝胶，所得水凝胶具有各向异性结构，并且兼具优异的导电性和高力学性能，可以作为生物应变传感器在非常宽的温度范围反复使用。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种导电有机水凝胶的制备方法，所述制备方法为：以聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯醇/其他可溶性聚合物共混物作为基体，在溶剂和导电粒子的作用下，通过冷冻-熔融的方式先制得水凝胶；再将该水凝胶通过拉伸定型制得具有各向异性结构的导电有机水凝胶；其中，所述溶剂为水和不挥发性溶剂的混合溶剂。

进一步，所述拉伸定型的方法为：将水凝胶先在5～70℃下拉伸取向，拉伸比为0.5～8；然后定型，定型时间为0～100分钟。

优选的，所述拉伸比为1.6～8。

进一步，所述拉伸采用单轴拉伸的方法，即沿水凝胶的任意一个中心轴方向拉伸使其具有各向异性结构即可；水凝胶可以制备成任意形状，如长方形、正方形、圆形、三角形、五角形等，只要沿水凝胶的任意一个中心轴的两个对称方向进行拉伸定型处理均可获得各向异性结构。

优选的，所述拉伸定型的方法中，拉伸前先将水凝胶制成矩形样条，然后沿其长度方向均匀拉伸。

进一步，所述水凝胶的基体中，PVA与其他可溶性聚合物的质量比为：PVA：其他可溶性聚合物＝1：3～3：1。

进一步，所述其他可溶性聚合物选自：海藻酸钠、可溶性纤维素、多糖类大分子、聚乙二醇或聚氧乙烯等。

优选的，所述可溶性纤维素为羟丙基纤维素、羟甲基纤维素或木质素等。

优选的，所述多糖类大分子为壳聚糖或甲壳素等。

进一步，所述混合溶剂中，水和不挥发性溶剂的质量比为0.2～2。