[发明专利]一种二维材料复合水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二维材料复合水凝胶及其制备方法和应用，该制备方法包括：采用包括亲水性单体、二维无机纳米材料、引发剂、交联剂和水的原料配制水凝胶前驱液；所述二维无机纳米材料为粘土矿物纳米材料；而后将所述水凝胶前驱液进行紫外光聚合。以上制备方法操作简单，生成成本低，所制备二维材料复合水凝胶韧性好、力学强度高，具有较好的电致驱动性能；且其在盐水中溶胀后在电场作用下可迅速分解成溶液，而在纯水中溶胀后在电场作用下具有长期稳定性，可实现按需降解。

技术领域

本发明涉及水凝胶技术领域，尤其是涉及一种二维材料复合水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

目前，全球每次产生的电子垃圾量巨大，其中，一次性科技产品(包括软体机器人、电子皮肤等)占比较大，这些一次性科技产品中包含大量有价值的功能材料，这些材料难以回收。解决以上问题的挑战来自于如何确保组成材料具有优异的生物降解性，同时具有电子机器人及柔性电子产品所需的电学刺激响应性、良好的稳定性、优异的柔韧性等。

水凝胶作为类生命体组织结构的一种常见含水复合物，具有来源广泛、可调节性强、嵌在绿色环保等有点，因此，水凝胶离子电子器件是最有希望的电子垃圾的替代者。但是传统的水凝胶具有松散的交联和较低的固含量，在实际应用中仍无法同时满足以上要求，无法在较长的使用周期、高负载或强冲击、大变形等条件下应用。具体表现在常见水凝胶的力学强度多集中在kPa级别，还无法达到MPa级别要求；此外，常见水凝胶在普通环境(包括海洋环境)下的降解周期一般为数月；构成软体机器人和电子皮肤的材料降解缓慢，这极大阻碍了其大规模应用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种二维材料复合水凝胶及其制备方法和应用。

本发明的第一方面，提出了一种二维材料复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用包括亲水性单体、二维无机纳米材料、引发剂、交联剂和水的原料配制水凝胶前驱液；所述二维无机纳米材料为粘土矿物纳米材料；

S2、将所述水凝胶前驱液进行紫外光聚合。

根据本发明实施例的二维材料复合水凝胶的制备方法，至少具有以下有益效果：该制备方法由包括亲水性单体、二维无机纳米材料、引发剂和交联剂的原料配制水凝胶前驱液，采用一锅法制备，操作简单。其所采用的原料中，二维无机纳米材料在自然界中来源广泛、环境友好、成本低廉，可降低成产成本；且其具有超薄的厚度，可保证水凝胶的柔性；所具有的高模量可有效对水凝胶进行力学性能增加，而其高几何径厚比和快速传输性，有望为水凝胶提供力学属性上的各向异性；另外，通过亲水性单体的添加，可增加有机-无机作用位点，调节亲水单体与二维无机纳米材料的离子相互作用，由上所制得产品二维材料复合水凝胶韧性好、力学强度高，具有较好的电致驱动性能；且该二维材料复合水凝胶在盐水中溶胀后在电场作用下可迅速分解成溶液，而在纯水中溶胀后在电场作用下具有长期稳定性，可达到按需降解的目的，安全环保。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，将所述水凝胶前驱液置于磁场作用下，进行紫外光聚合。由于二维无机纳米材料粘土矿物纳米材料中含有磁性元素，以上通过采用磁场控制二维无机纳米材料的排布方向，可实现水凝胶前驱液中二维无机纳米材料的定向有序排布，最大程度得利用超薄二维无机纳米材料的高模量、高纵横比的优势，可进一步提高所制得产品二维材料复合水凝胶韧性和力学强度，所制得产品二维材料复合水凝胶最大力学强度可达3～6MPa，变形可达100％～330％。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述粘土矿物纳米材料选自高岭石族粘土、蒙脱石族粘土、伊利石族粘土、绿泥石族粘土、蛭石粘土中的至少一种。