[发明专利]一种自愈合导电聚乙烯醇基水凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种自愈合导电聚乙烯醇基水凝胶及其制备方法与应用。该方法包括：将2‑甲基‑2‑丙烯酰胺丙磺酸钠，N,N‑二甲基丙烯酰胺，硼砂和光引发剂加入水与有机溶剂的混合溶剂中，混合均匀，得到混合液1；将混合液1与聚乙烯醇的水溶液混合均匀，得到混合液2，将所述混合液2转移至模具中，在紫外光的照射下进行凝胶反应，得到所述自愈合导电聚乙烯醇基水凝胶。本发明提供的制备方法简单易行，构筑出的自愈水凝胶力学性能优秀，愈合前后均具有良好的导电性，应变传感能力灵敏度高，可用于实时监测人体不同关节运动。

技术领域

本发明属于高分子材料制备技术领域，具体涉及一种自愈合导电聚乙烯醇基水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

可穿戴的应用为人们的日常生活提供便利的方式而受到重视。由于人体皮肤处于不断，所以要求可穿戴电子设备可以承受各种如拉伸和挤压变形。柔软导电水凝胶具有三维多孔纳米结构和可调的电性能，是一种应用于可穿戴设备的理想材料。导电水凝胶在可穿戴设备发展出了多种感知能力，如温度、湿度，压力和涩味等。吕等(ChemicalEngineering Journal，2021(10)，128470)制备了一种聚乙烯醇-丝纳米纤维-石墨氮化碳纳米片有机水凝胶应变传感器。该水凝胶传感器具有线性传感范围大、响应速度快、抗冻、抗菌性能好等特点。随着对设备性能的需求提高，导电水凝胶应用于柔性设备领域时的强度、自愈性等性能还需要进一步研究。

聚乙烯醇是由聚醋酸乙烯酯经过加碱催化醇解后制得的有机合成水溶性聚合物，其具有可生物降解、生物相容性好和价格低廉等优点。中国发明专利申请CN109320673A使用单体与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚形成水凝胶第一网络，再利用聚乙烯醇、天然化合物为第二网络，由金属离子和天然化合物配位交联形成第三网络，利用金属配位键使得凝胶能够快速愈合。以聚乙烯醇和硼砂之间形成的动态硼酯键为基础制备可自愈水凝胶的方法简便，同样得到了广泛研究。中国发明专利申请CN110054856A公开了一种耐低温自愈合水凝胶，由聚乙烯醇，硼砂，氧化还原石墨烯组成，该水凝胶能够在-10～60℃具有良好的稳定性和灵敏因子。Hao等人(ACS Appl.Mater.Interfaces 2018,10,1258-1265)制备了由聚乙烯醇/琼脂/硼砂组成的快速愈合水凝胶，能够在空气和水下实现凝胶的自愈合功能。以上的聚乙烯醇/硼砂基水凝胶均拥有快速愈合的能力，但强度不足的缺点限制了其实际应用。中国发明专利申请CN109971101A公开了一种通过引入铁离子交联的聚(丙烯酸-共聚-丙烯酰胺)到聚乙烯醇/硼砂网络改善凝胶的机械性能；Oguz Okay等(Macromolecules2019,52,3257-3267)利用2-甲基-2-丙烯酰胺丙磺酸共聚N,N-二甲基丙烯酰胺，聚合物链之间的大量氢键赋予了水凝胶良好的自愈合和机械性能，但这些凝胶均不具有导电性能。因此，一种简单方法制备自愈合可导电的聚乙烯醇-硼砂水凝胶具有重要的实际意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种自愈合导电聚乙烯醇基水凝胶及其制备方法与应用。

本发明的目的在于针对现有聚乙烯醇/硼砂基水凝胶无法兼有强度与自愈性能，受损后功能缺失的问题，采用“一步法”将2-甲基-2-丙烯酰胺丙磺酸钠单体和N,N-二甲基丙烯酰胺引入大分子链聚乙烯醇中，利用硼砂和聚乙烯醇形成的动态交联以及2-甲基-2-丙烯酰胺丙磺酸钠和N,N-二甲基丙烯酰胺聚合物链之间大量的氢键以提升水凝胶的机械性能，并保留了快速自愈的能力。

本发明的另一目在于构筑聚乙烯醇/聚(2-甲基-2-丙烯酰胺丙磺酸钠-共聚-N,N-二甲基丙烯酰胺)导电网络，配合网络中的硼砂和钠离子使得水凝胶具有高导电性和应变敏感性。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。