[发明专利]一种高透明、高拉伸、高导电离子水凝胶的制备方法

说明书

本发明公开一种高透明、高拉伸、高导电离子水凝胶的制备方法，其特征在于，以植酸及其盐类作为导电剂兼稳定分散剂，复配设计出纳米锂藻土的稳定分散体系；该稳定分散体系的制备方法为：纳米锂藻土先溶于水中，然后依次加入稳定分散剂、单体、交联剂和引发剂形成透明溶液，最后对透明溶液进行光固化反应，获得高透明、高拉伸、高导电离子水凝胶。经实验验证，本发明采用的植酸及其盐类配置纳米锂藻土反应水溶液，配置出的反应溶液具有长期稳定性，在室温下放置一个月以上呈现溶液状态。而本发明制得的离子水凝胶，其不仅具有高透明、高拉伸性能，而且，电导率可达2S/cm，远远优于现有技术。

技术领域

本发明涉及一种高性能水凝胶材料，尤其是一种高透明、高拉伸、高导电离子水凝胶材料的制备方法与应用。

背景技术

基于导电水凝胶的柔性传感器在可穿戴设备、可植入器件、软机器人、以及人机交互系统等领域有广阔应用前景。作为人机界面的理想载体之一，越来越多的研究将水凝胶应用于生物电子等电子器件。然而导电水凝胶材料还存在一些不足，限制了其实际应用，水凝胶的性能仍需进一步提高，如：1）大部分凝胶自身的力学性能（模量、强度、断裂能等）不足，拉伸容易断裂，不能满足荷载柔性器件需求；特别是当水凝胶承受动态力学载荷时（比如水凝胶作为心脏贴片、软骨替代物），需要设计抗疲劳的水凝胶以及与其他材料抗疲劳的粘接性能；2）存在高机械性能和导电性不能兼顾的问题；3）在柔性光学显示等方面应用还需要具有良好的透光性。因而，开发出兼具高拉伸、高透明、高导电等性能的理想离子导电水凝胶材料可较好的满足柔性电子器件应用方面的要求。

但是制备出兼具高拉伸、高透明、高导电的离子导电水凝胶还是一个难题，目前这类性能的离子凝胶体系还比较少。现阶段基于纳米锂藻土的复合体系制备高力学性能的水凝胶已成为一种凝胶增强的主要方法，且制备的水凝胶具有高度透明性。但是这种纳米锂藻土体系对离子物质不兼容，在体系中加入离子物质后，凝胶体系会发生微观相分离，用于制备凝胶的溶液体系容易聚集变成不流动状态，制备的凝胶变得不透明，凝胶力学性能下降。所以采用纳米锂藻土体系制备兼具高拉伸、高透明、高导电的离子导电水凝胶比较困难。

这是由纳米锂藻土的组成和结构特征决定的，纳米锂藻土如Laponite（商品名）为层状硅酸盐结构，在镁氧八面体的两边各有一个共用氧原子的硅氧四面体，其中部分二价的镁原子被一价锂原子置换，使粒子表面带有永久负电荷。由于电荷之间的排斥力，纳米锂藻土在水中能够分散成单层片层，从而成为溶液状态。纳米锂藻土片层在水凝胶的交联网络中起多官能度交联点的作用，赋予水凝胶高拉伸等优良的力学性能。纳米锂藻土水分散液的稳定性与pH值、离子强度等密切相关。在较低的离子强度下，纳米锂藻土水分散液由于静电排斥作用而稳定；在较高的离子强度下，纳米锂藻土在水中的分散与凝胶化几乎同时发生；随着离子强度提高，由于双电层被压缩，片层之间的排斥力减弱，而分散的片层会重新聚集。造成体系微观相分离和团聚现象，表现为离子强度升高则分散液变浑浊，甚至絮凝。因而对水凝胶的力学性能和光学性能都产生了不利的影响。

利用纳米锂藻土如Laponite制备出兼具高拉伸、高透明、高导电的理想离子导电水凝胶，首先要设计与纳米锂藻土兼容的离子导电体系，解决离子体系与纳米锂藻土兼容的问题。前期的一些研究报道了一些特殊的复配体系，可以一定程度提高纳米锂藻土Laponite的耐离子性能，如添加十二烷基硫酸钠（简称SDS）和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（简称AMPS）（Journal of Polymer Research, 2014，21：541）等可以制备透明的Laponite离子凝胶，刘群峰采用柠檬酸钠等制备透明的Laponite离子凝胶（Chemical PhysicsLetters, 2020, 754:137667.）。但是体系大部分采用弱的电解质作为离子体系，因而这类离子凝胶的导电性不高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种兼具高透明、高拉伸、高导电的离子水凝胶制备方法。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。