[发明专利]一种纤维素基柔性透明导电有机水凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种纤维素基柔性透明导电有机水凝胶及其制备方法与应用。该制备方法包括如下步骤：(1)将纳米纤维素分散液加入到碳酸丙烯酯中，然后加入聚乙烯醇和/或聚丙烯酰胺，在60～110℃油浴下继续搅拌使其溶解，静置以除去气泡，再倒入模具中，冷冻，得到有机水凝胶；(2)将LiClO₄和/或LiCl溶解到碳酸丙烯酯和水的混合溶剂中，得到盐溶液；然后将有机水凝胶浸泡到盐溶液中，得到所述纤维素基柔性透明导电有机水凝胶。本发明方法操作简单、低成本、无污染，制得的纤维素基柔性透明导电有机水凝胶具有良好的导电性、抗冻性和耐热性，其力学性能优异，可用在柔性可穿戴电子产品、医疗实时监测设备等方面。

技术领域

本发明属于离子导电有机水凝胶技术领域，特别涉及一种纤维素基柔性透明导电有机水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

在物联网(IoT)时代，柔性可穿戴电子设备因其在电子皮肤(E-skin)、及时现场护理(PoC)、人工组织和器官等方面的应用，引起了广大研究者的兴趣。柔性可穿戴电子设备在使用时通常能够承受弯曲、拉伸、折叠、扭转和压缩等各种机械变形。它们通常由柔性基材和柔性导体组成，其中柔性导体通常被用于传感元件，可将机械变形转化为实时可读的电信号。然而，目前研究中的柔性导体仍存在电学性能与力学性能不能同时实现最优化的问题。基于此，在不牺牲柔性导体电学性能的基础上，探索出力学性能更为优异的导电材料具有重要的现实意义。

离子导电(有机)水凝胶作为一种新兴材料，由于其优异的柔韧性、延展性及弹性，在柔性电子领域获得了广泛研究。例如，Qiu等^[1]制备了一种具有与人体皮肤类似功能的导电有机水凝胶。研究中添加了螺吡喃机械致变色体(Spiropyran mechanochromophore)，使得输出的电信号可视化，这赋予了有机水凝胶能够响应模拟人类活动的传感和可视化机械刺激的能力。此外，该有机水凝胶还具有良好的力学性能(拉伸应力为0.3MPa，拉伸应变为300％)和溶剂留着性(在10h内质量损失为15wt％)。Liu等^[2]设计了一种基于羧甲基纤维素钠/2-丙烯酸2-甲氧基乙酯/聚丙烯酸(CMC/MEA/PAA)的离子导电有机水凝胶，该凝胶具有较好的拉伸性能(拉伸应力为0.0836MPa，拉伸应变为864％)以及信息识别能力。凭借MEA上疏水链和PAA上亲水链之间的共价交联，以及双溶剂体系(二甲基亚砜(DMSO)/H₂O)的引进，所制备的有机水凝胶在各种恶劣环境中(包括在干旱/结冰条件下的水/油中)表现出优良的敏感性。然而，发展研究综合性能均优异的柔性导体仍是一个长期存在并亟待解决的问题，同时实现柔性导体优异的电学性能、力学性能、抗冻性、可回收性和生物相容性等性能仍是研究的瓶颈。

2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化的纳米纤维素具有良好的机械性能、可再生性和生物相容性；此外，该纳米纤维素表面带有羧基(电负性)，有助于促进离子迁移，因此其常被于制备各类离子导电有机水凝胶。例如，You等^[3]利用TEMPO氧化的纤维素纳米纤维(T-CNF)制备了多功能纤维素基离子导电有机水凝胶。基于强有力的化学交联和氢键网络，制得的有机水凝胶具有良好的拉伸性能(拉伸应力为0.038MPa，拉伸应变为540％)、弹性性能、压缩性能(压缩强度为0.44MPa)以及自愈合性能(～87％)。最近，Cheng等^[4]也设计了一种以T-CNF为增强填料的离子导电有机水凝胶。他们将聚丙烯酰胺(PAM)、海藻酸钠(SA)和T-CNF加入DMSO/H₂O体系中，然后浸入盐溶液中以获得导电性。与其他现有的纤维素基离子导电有机水凝胶相似，该PAM/SA/T-CNF有机水凝胶也表现出良好的拉伸强度(拉伸应力为1.04MPa，拉伸应变为681％)、透明度(84％)和离子电导率(1.25S·m^-1)。然而，目前研究中的离子导电有机水凝胶仍存在电学性能与力学性能不能兼具的问题。基于此，实现离子导电有机水凝胶电学性能与力学性能之间的平衡将成为研究重点。