[发明专利]一种聚乙烯醇基压电活性水凝胶及其制备成型方法

说明书

本发明公开一种聚乙烯醇(PVA)基压电活性水凝胶及其制备成型方法，其特点是选择压电性优异的聚偏氟乙烯(PVDF)，将其与PVA复合，通过研究建立冻融‑溶剂置换‑退火‑溶胀的高效制备成型方法，以在凝胶形成过程中大幅增强PVA/PVDF分子间相互作用，促进PVDF高压电性β晶的形成，从而赋予PVA凝胶优异的压电功能特性，在生物医学工程领域具有较好应用前景。

技术领域

本发明涉及一种聚乙烯醇基压电活性水凝胶及其制备成型方法，属于聚合物加工领域。

背景技术

压电材料是指可通过施加机械应力诱导材料表面成比例产生电荷或产生与施加电场相应的几何应变的材料，所形成的正(逆)向压电效应使其作为机械能-电能换能器、传感器、驱动器等广泛应用于医疗、军事、电子、能源等各领域。压电性可以在人体的不同部位发现，如骨、腱、韧带、皮肤、牙质、胶原等，因此，压电材料的研究应用尤其对人体组织、特别是皮肤及骨骼肌愈合及修复具有重要意义。

聚乙烯醇(PVA)水凝胶具有三维网络结构，无毒、无副作用，生物相容性优良，化学性质稳定，柔韧性和高弹性优异，吸水量高，易于加工，在生物医学工程领域具有广阔应用前景，而目前对具压电活性的PVA水凝胶材料的研究报道极少：王文江，中国地质大学(北京)，2020，以PVA为基体、LiCl为填料，通过流延法制备压电发电复合水凝胶，研究了Li⁺在PVA水凝胶中的极化能力和影响极化的影响因素，复合凝胶介电常数与损耗均随LiCl含量、厚度、含水量的增加而增大，高压极化后，发电性能有所增强。具高压电活性的PVA水凝胶材料还有待进一步研究开发。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种聚乙烯醇(PVA)基压电活性水凝胶及其制备成型方法，其特点是选择压电性优异的聚偏氟乙烯(PVDF)，将其与PVA复合，通过研究建立冻融-溶剂置换-退火-溶胀的高效制备成型方法，以在凝胶形成过程中大幅增强PVA/PVDF分子间相互作用，促进PVDF高压电性β晶的形成，从而赋予其优异的压电功能特性。

本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料分数除特殊说明外，均为重量份数。

一种聚乙烯醇基压电活性水凝胶及其制备方法包括以下步骤：

将10份PVA加入到50-300份二甲基亚砜(DMSO)及10-50份水中，于90℃溶解，用盐酸将pH值调至6-8，得溶液①；将1-30份PVDF加入到5-300份DMSO中，于90℃溶解，得溶液②；将溶液①与溶液②混合均匀，倒入模具中，于-18℃至-40℃冷冻10-30h，解冻4-20h，冷冻解冻1-4次，获得含DMSO溶剂的凝胶，将其置于蒸馏水中浸泡，多次换水直至水中无DMSO，获得PVA/PVDF水凝胶；进一步将该水凝胶于50-150℃退火3-30h，随后置于蒸馏水中溶胀4-20h，获得具压电活性的PVA基水凝胶；其中，PVA聚合度为400～3000，醇解度为75～99％。

本发明制备的聚乙烯醇基压电活性水凝胶，其输出电压可达4.0V，输出电流可达247.4nA。

本发明具有如下优点：

本发明针对聚乙烯醇(PVA)水凝胶在生物医学工程领域的应用要求，旨在制备一种具压电活性的聚乙烯醇水凝胶。选择压电性优异的聚偏氟乙烯(PVDF)，将其与PVA进行复合，研究建立冻融-溶剂置换-退火-溶胀的高效制备成型方法，通过在冻融阶段初步成型含DMSO溶剂的凝胶试样，PVA分子间及其与PVDF分子间形成一定的氢键作用及微晶，成为物理交联点；将DMSO溶剂置换为水后，其氢键作用及结晶度得以增强；随后将其进行退火处理，复合体系分子间氢键作用及交联程度进一步增强，形成三维网络结构，并大幅提升PVA/PVDF分子间相互作用，促进PVDF高压电性β晶的形成，从而赋予PVA凝胶优异的压电功能特性。

具体实施方式