[发明专利]一种抗冻超分子水凝胶电解质薄膜及其制备和应用

说明书

本发明公开一种抗冻超分子水凝胶电解质薄膜及其制备和应用，该超分子水凝胶电解质薄膜采用两步合成法制备，首先将PDP和AA这两种单体在水中混合，并保证PDP与水分子的摩尔比为1:6，通过聚合反应得到预制备的超分子水凝胶，随后通过在强电解质盐溶液中浸泡即得到超分子水凝胶电解质薄膜。本申请通过严格控制单体与水溶液的摩尔比使得制备出的电解质薄膜材料具有优异的抗冻性能，可在较宽的温度范围内正常工作，在柔性可拉伸电子器件领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于高分子光电材料技术领域，具体涉及一种抗冻超分子水凝胶电解质薄膜及其制备和应用。

背景技术

随着5G网络和智能终端的普及和发展，具有柔性可拉伸特点的可穿戴电子设备显示出巨大的市场应用前景。目前，可穿戴电子的应用体现在人类生活的很多方面，如柔性储能设备、可穿戴生理检测装置等。柔性可拉伸电子器件一般由柔性电解质和柔性电极以“三明治”结构形式组装而成，水凝胶基电解质材料因具有较好的柔韧性和离子传导性而在柔性固态电解质领域得到广泛的使用和研究。同时，因为水凝胶具有良好的生物相容性，可与人体组织共存，从而体现出很好的可穿戴性。

基于水凝胶的离子设备能够将外界刺激转换为电信号。然而，在实际应用中，一旦温度降至水的冰点以下，水凝胶就会结冰从而限制了其的温度使用范围。因此开发在极端环境下依旧能保持其性能的离子设备依然面临着巨大的挑战。且传统的水凝胶由于存在网络结构单一且不均匀、缺乏能量耗散机制等问题，通常机械强度有限，与天然组织仍有较大差距。

针对上述问题，本领域技术人员做了相应的改进，如中国专利 CN 110265232 A公开一种可自愈水凝胶电解质薄膜及其制备方法和应用，该电解质薄膜是由[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-( 3-磺酸丙基)氢氧化铵和甲基丙烯酸单体共聚制成，该凝胶电解质内部的聚合物网络依靠氢键等可逆非共价键交联，使其具备超拉伸、可自愈等特点。通过调整所浸泡的强电解质盐溶液的浓度，可在大范围内有效调控超分子水凝胶电解质薄膜的机械性能，获得具有优异的可重复的自愈合性能的电解质薄膜材料；但是经过进一步研究测试后发现，利用该方法所制备的凝胶电解质薄膜虽具备较好的机械性能，但是在抗冻性能上却未有较好的表现，在零下温度条件下材料的电导率比较低，其应对极端环境的能力较弱，且通过测试对比市面上现有的水凝胶类电解质薄膜材料的抗冻性能，我们也发现现有的该类材料均存在上述不足。

因此，有必要对水凝胶型电解质薄膜的制备方法做进一步地探索改进以期能提升材料的抗冻性能，满足不同应用场景尤其是极端环境的使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗冻超分子水凝胶电解质薄膜及其制备方法和应用，该水凝胶电解质以（3-（甲基丙烯酰氨基）丙基）二甲基（3-硫代丙基）氢氧化铵内盐（PDP）和丙烯酸（AA）为单体，通过控制PDP与水分子的配比，可以制备出具有优异抗冻性能的超分子水凝胶，满足其在低温环境下使用。

本发明公开的技术方案如下：一种抗冻超分子水凝胶电解质薄膜的制备方法，制备时首先称取（3-（甲基丙烯酰氨基）丙基）二甲基（3-硫代丙基）氢氧化铵内盐和丙烯酸溶解于去离子水中，搅拌均匀得到单体水溶液A，在单体水溶液A中加入引发剂进行聚合反应获得超分子水凝胶后将超分子水凝胶浸泡在盐溶液中完成制备；

单体水溶液A中，（3-（甲基丙烯酰氨基）丙基）二甲基（3-硫代丙基）氢氧化铵内盐与去离子水的摩尔比为1:6。

进一步地，（3-（甲基丙烯酰氨基）丙基）二甲基（3-硫代丙基）氢氧化铵内盐和丙烯酸单体的摩尔比为1:1~1:8。

进一步地，搅拌获得单体水溶液A的过程是在22~30℃条件下以300~800 rpm的转速进行的，直至得到均匀透明的单体水溶液A后停止搅拌。