[发明专利]抗冻水凝胶、制备方法以及应用

说明书

本申请涉及水凝胶技术领域，提供了一种抗冻水凝胶、制备方法以及应用，包括黏土、无机盐、交联聚合物和水的混合物，交联聚合物在水中形成三维网络结构，黏土和无机盐分散于三维网络结构中形成抗冻水凝胶。本申请提供的抗冻水凝胶，包括黏土、无机盐、交联聚合物和水，其中，交联聚合物溶解在水中，在水中形成三维网络结构，由于黏土、无机盐、交联聚合物和水的相互作用，黏土、无机盐可稳定分散于三维网络结构中。本申请的抗冻水凝胶可借助无机盐的吸水特性，使本申请的抗冻水凝胶具有低温抗冻的特性，在低温条件下仍可拉伸和可压缩，保留抗冻水凝胶的理化性质。

技术领域

本申请属于水凝胶技术领域，尤其涉及抗冻水凝胶、制备方法以及应用。

背景技术

水凝胶是一类含有大量水且具有三维网络结构的高分子聚合物。由于其特殊的软湿性特征，已被广泛应用于电子皮肤、柔性电子器件、驱动器和生物医用等领域。然而，传统的水凝胶在零度以下容易冻结，机械性能下降，严重限制了其在低温环境下的实际应用。

近年来，已有研究将乙二醇、丙三醇、二甲基亚砜等有机液体引入水凝胶中，利用有机液体和水分子之间的相互作用抑制冰晶晶格的形成从而获得抗冻水凝胶。但是有机液体的存在会严重降低水凝胶的导电性，从而无法满足特定领域水凝胶的应用需求。此外，这类有机化合物本身的毒性、挥发性以及高度自燃性可能会引起安全隐患并有损人体健康。另有，研究将水凝胶直接浸渍于无机盐溶液中，以获得抗冻水凝胶。但是这种方法浸渍时间一般长达数天，大大延长了水凝胶的制备周期。此外，在浸渍过程中，水凝胶由于吸水溶胀效应，力学性能也会大大降低。因此，设计一种制备方法简单、具有抗冻性的水凝胶，并使其同时具备优异的导电性能和力学性能仍然是一个亟待解决的挑战。

发明内容

本申请的目的在于提供一种抗冻水凝胶、制备方法以及应用，旨在解决现有技术中水凝胶在低温条件下，机械强度差的问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种抗冻水凝胶，包括黏土、无机盐、交联聚合物和水的混合物，交联聚合物在水中形成三维网络结构，黏土和无机盐分散于三维网络结构中形成抗冻水凝胶。

本申请提供的抗冻水凝胶以黏土作为交联剂，可制备本申请中的交联聚合物，且在抗冻水凝胶中，黏土和无机盐会稳定地分散于交联聚合物中，其中，黏土和无机盐通过水解分离出离子(如钠离子等)，由于交联聚合物和这些离子的相互作用，这些离子会均匀地且稳定地分散于交联聚合物的三维网络结构中。一方面，这些离子都具有亲水特性，溶于水之后，会改变抗冻水凝胶的相转变温度，会使变抗冻水凝胶在低温状态下，仍可拉伸和可压缩，保留抗冻水凝胶的理化性质，另一方面，通过这些离子的移动可提高抗冻水凝胶的导电性能。

第二方面，本申请提供了一种抗冻水凝胶制备方法，包括如下步骤：

将黏土和水进行第一次混合处理，得到黏土悬浮液；

向黏土悬浮液中加入无机盐和交联聚合物单体进行第二次混合处理和溶解处理，得到分散液；

向分散液中加入引发剂进行第三次混合处理，且进行聚合反应，得到抗冻水凝胶。

本申请提供的抗冻水凝胶制备方法，一方面，利用黏土作为物理交联剂，在引发剂的作用下，将交联聚合物单体进行自由反应之后交联成交联聚合物，且交联聚合物、无机盐和黏土混合在一起形成抗冻水凝胶，其中，在进行自由反应过程，对反应条件没有严格的限制，进而本申请制备抗冻水凝胶的方法工艺简单，便于大规模生产。另一方面，本申请的制备过程中，可以根据需求灵活调整无机盐的加入量，制备具有不同相转变温度的抗冻水凝胶。

第三方面，本申请提供了一种抗冻水凝胶在软制动器、传感器和柔性电子储能设备器件中的应用。

本申请提供的抗冻水凝胶形变能力强，且导电性能良好，因此本申请提供的抗冻水凝胶形变能力强可应用到软制动器、传感器和柔性电子储能设备器件。