[发明专利]一种具有高保水性的可拉伸导电水凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高保水性的可拉伸导电水凝胶及其制备方法。该水凝胶在聚丙烯酰胺‑丙烯酸作为第一重网络的基础上，引入羧甲基羟乙基纤维素形成第二重网络，并且引入金属离子，金属离子与来自纤维素和聚丙烯酰胺丙烯酸两种分子链上的羧基都可以发生离子交联。引入羧甲基羟乙基纤维素会在体系内大大增加羟基的密度，从而建立稳定的氢键网络。而且引入的羧甲基羟乙基纤维素可以作为第二重网络，可以有效耗散在受到拉伸时的能量。本发明制得的水凝胶有优异的导电性能和拉伸性能，电导率高达3.0S/m，断裂伸长率可达1500％，且拥有优异的保水性能(70％)。本发明工艺过程简单，制备周期短，适用范围广，可广泛应用于柔性应变传感器等柔性电子器件中。

技术领域

本发明属于功能高分子制备技术领域，具体涉及一种具有高保水性的可拉伸导电水凝胶及其制备方法。

背景技术

近年来，随着物联网、大数据和人工智能等行业的迅速发展，柔性可穿戴器件的基础研究和应用市场不断扩大。可用于检测弯曲物体上大变形的应变传感器在可穿戴电子设备，电子皮肤和健康监测中至关重要。

传统的应变传感器，如聚合物基金属复合材料和碳基复合材料，其应变范围是200％～500％。而软体机器人和可穿戴电子设备在操作时可能会产生高达1200％的大变形，因此传统的材料体系不能满足实际操作要求。同时，在反复的高应变作用下，材料很容易产生裂纹甚至发生断裂，从而极大影响器件的稳定性甚至造成完全失效。并且材料初始电导率较低会使得材料在没有达到大形变条件下就已经失去导电性，从而无法在大变形条件下对应变有响应。因此，开发一种具有高电导率和高拉伸性的柔性导电材料尤为必要。

水凝胶是一种具有特殊三维网络且其中填充有大量水的软湿型材料，由于其性能可调性和良好的生物相容性等优点，在生物电子领域受到了广泛的关注。尤其是离子水凝胶基于无法同时兼具高拉伸性和高电导率的问题给予了解决策略，离子水凝胶可以通过离子运输保持高导电性。但是由单层化学交联网络构成的水凝胶抗拉伸性能通常较差，因为单层网络在受到应力作用时无法及时将能量耗散从而产生应力集中，从而拉伸性能较差。龚剑萍团队提出构建具有双重交联网络的水凝胶的理论，证实可以改善单层交联网络存在的问题，显著提高材料的拉伸性能。

然而目前的水凝胶在使用过程中，水凝胶中的液体会缓慢蒸发，水凝胶中大量水的蒸发会使得体系的电导率发生变化，进而影响监测信号的稳定性。并且随着水分的蒸发，水凝胶的网络结构会坍缩，从而影响水凝胶的拉伸性能。目前已经有一些方法来提高水凝胶的保水性，在水凝胶表面进行弹性体的封装是一种抗失水的策略，但是弹性体和和水凝胶材料界面的粘附力较弱，且杨氏模量不匹配，容易出现两层材料的界面失配问题。此外，在水凝胶体系中用有机溶剂如乙二醇和甘油等用来替换水溶剂也是一种有效的保水策略，但是有机溶剂由于羟基的电离能力减弱会显著降低水凝胶材料的导电性，并且会减低原本水凝胶材料的生物相容性。

因此如何提高水凝胶本身的保水性且不影响水凝胶本身的导电性和高拉伸性仍然是水凝胶在应用过程中的瓶颈问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提出一种高保水性的可拉伸性导电水凝胶及其制备方法，本发明利用聚丙烯酰胺-丙烯酸的化学交联网络作为第一重网络，以羧甲基羟乙基纤维素形成的化学交联网络为第二重网络，并且其中聚丙烯酰胺-丙烯酸及羧甲基羟乙基纤维素上的部分羧基与金属离子发生离子交联。化学交联网络可以提供良好的刚性支撑，在此基础上利用羧甲基羟乙基纤维素将大量的羟基和羧基引入系统中，因此会在系统中形成大量的氢键，同时，金属离子可以在交联网络的空隙之间进行迁移，因此可以通过调控金属离子的浓度来调控水凝胶的电导率，最终可以实现兼具有高保水性、高拉伸性、高导电性能的水凝胶的制备。而且本发明的制备方法一步到位，无需复杂的操作步骤，在电子皮肤方面有广阔的应用前景。

本发明包括以下步骤：

(1)将丙烯酰胺单体、丙烯酸单体和金属离子盐溶解在去离子水中，然后加入化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，滴入催化剂四甲基乙二胺，全部溶解后得到溶液a，放入真空干燥箱进行排气泡；