高拉伸、自粘附、抗冻保水纳米复合导电水凝胶及制备方法和应用

1.本发明属于高分子材料和多功能导电材料技术领域，具体涉及一种具有高拉伸性、自粘附性、耐高温及低温的离子导电纳米复合水凝胶的制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，可穿戴柔性传感器材料备受关注，相对于传统的刚性传感材料，其具有一定的舒适性、更高的灵敏性。水凝胶材料作为一种“软而湿”的材料，可作为可穿戴柔性传感器的理想候选材料。水凝胶材料具有高含水量、性能可控可调、良好的生物相容性，但是传统的水凝胶材料具有力学性能并不理想的特点，在具体的应用中力学性能的缺陷会影响其使用寿命。另外，高含水量赋予水凝胶材料独特的性能的同时，也使其面临着不可避免的一些缺陷。在低温环境如零下，水凝胶材料不可避免的会被冻结，而在高温或是长期的储存中，水分也会一定程度的挥发，这些情况限制了传统水凝胶的应用范围。为了实现可穿戴传感器的应用，不具有粘附性的导电水凝胶则需要外界的辅助来贴合传感界面，造成了一定的不便性和贴合的不紧密性。综上所述，兼具优异的力学强度和自粘性，同时可在低温和高温下使用的水凝胶材料的制备与应用是非常必要的。
3.离子液体的加入保证了水凝胶网络中的水在低温下不易结冰，同时也不易挥发，实现了相对于传统水凝胶材料而言在低温环境和高温环境下的使用。锂藻土laponite xlg片层在水凝胶的交联网络中起物理交联点的作用，提高水凝胶的力学性能。另外，传统的水凝胶传感器需要通过连接外置电源来实现传感功能，通过将其组装成自供电装置，可以进一步实现水凝胶材料在一定环境下的供能作用。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种可拉伸的、通过无机纳米材料增强力学性能的离子导电纳米复合水凝胶。
5.本发明的第二个目的是提供上述离子导电纳米复合水凝胶的制备方法。
6.本发明的高拉伸、自粘附、抗冻保水导电水凝胶的制备及应用是采用紫外光聚合法，制备方法为以离子液体氯化1-乙基-3-甲基咪唑提供导电离子，同时赋予水凝胶材料耐低温/高温性，无机纳米片锂藻土作为物理交联剂，通过紫外光引发丙烯酰胺和丙烯酸-2-羟乙酯共聚，得到物理交联的离子凝胶。
7.本发明的第三个目的是提供上述离子导电纳米复合水凝胶的应用。
8.具体地，为达到上述目的，本发明的解决方案包括如下步骤：
9.(1)将一定量的锂藻土laponite xlg加入到去离子水中，在超声下形成均匀分散液；
10.(2)将一定量的氯化1-乙基-3-甲基咪唑、丙烯酰胺和丙烯酸-2-羟乙酯加入步骤(1)得到的分散液中，搅拌得到均匀溶液；
11.(3)将一定量的光引发剂2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮(单体质量的1％)加入到去离子水中，在室温下形成均匀溶液；
12.(4)将步骤(3)得到的混合液注射在模具中，然后转移至紫外光下照射15分钟，从模具中取出，得到离子导电纳米复合水凝胶。
13.优选地，步骤(1)中，反应的时间为15-60分钟。
14.优选地，步骤(2)中，反应时间为1-3小时。
15.优选地，步骤(3)中，反应时间为10分钟。
16.优选地，步骤(4)中，模具为两块无色透明的玻璃，中间垫有硅胶条形成长方形腔室，其中硅胶条厚度为2mm-5mm。
17.优选地，步骤(4)中，紫外光地波长为365nm，功率为250w，照射时间为15-30分钟。
18.一种上述的离子导电纳米复合水凝胶在应变-压力双重传感器或自供电水凝胶装置中的应用。
19.优选地，应变-压力双重传感器由水凝胶连接导线组成，应变传感范围为0％到900％，应变灵敏系数为0-2.0，适用温度范围为-14℃-60℃
20.优选地，自供电水凝胶装置由离子导电纳米复合水凝胶薄膜、铜片和芯片组装而成。离子导电纳米复合水凝胶作为电解质材料作为中间层，锌片作为正极连接在水凝胶薄膜上表面，铜片作为负极材料连接在水凝胶薄膜下表面，通过化学能转为电能实现自供电。
21.由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
22.第一、本发明采用无极纳米材料实现对水凝胶力学性能的增强，通过引入离子液体实现了抗冻性能和耐高温性，同时使水凝胶材料可以长期存放。利用紫外光引发聚合，可以快速、大量地制备离子导电纳米复合水凝胶，该材料具有高拉伸性、高韧性、粘附性、抗冻保水性、应变-压力双重传感、传感应变范围和温度广并且灵敏系数高。在可穿戴设备、电子皮肤、生物电极等领域具有应用潜力。
23.第二、本发明可进一步组装为自供电器件，最高输出电压可达2.8v，可实现水凝胶材料地供能。
24.第三、本发明的制备原料易得、价格低廉，制备方法简单快速，制备周期短，具有实现工业化大规模生产的可行性，具有很好的应用推广潜力。
附图说明
25.图1为本发明的实施例1的离子导电纳米复合水凝胶的拉伸强度示意图(横坐标strain为应变，纵坐标stress为应力)。
26.图2为本发明的实施例1的离子导电纳米复合水凝胶的拉伸循环示意图(横坐标tensile strain为拉伸应变，纵坐标tensile stress为拉伸应力，拉伸应变为500％)。
27.图3为本发明的实施例1的离子导电纳米复合水凝胶对铜片的粘附强度循环测试(横坐标displacement为位移，纵坐标adhesive strength为粘附强度)。
28.图4为本发明的实施例1的离子导电纳米复合水凝胶基自供电装置在-14℃环境下点亮灯泡的照片。
具体实施方式
29.以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
30.实施例1：
31.本实施例的离子导电纳米复合水凝胶的制备方法包括如下步骤：
32.(1)、将0.87g的锂藻土laponite xlg加入到10m l去离子水中，在超声下处理30分钟形成均匀分散液；
33.(2)、将6.52g的离子液体(ils)、3.26g的丙烯酰胺、1.08g的丙烯酸-2-羟乙酯加入到laponite分散液中，充分搅拌形成均匀溶液。
34.(3)、将光引发剂(单体质量的1％)加入步骤(2)中得到的均匀溶液中，充分搅拌后将其注入模具，模具由中间由硅胶条隔开两块透明玻璃组成；
35.(4)、将模具置于紫外灯下照射，得到最终水凝胶。
36.图1为本发明的实施例1的离子导电纳米复合水凝胶的拉伸强度示意图(横坐标strain为应变，纵坐标stress为应力)。
37.图2为本发明的实施例1的离子导电纳米复合水凝胶的拉伸循环示意图(横坐标tensile strain为拉伸应变，纵坐标tensile stress为拉伸应力，拉伸应变为500％)。
38.图3为本发明的实施例1的离子导电纳米复合水凝胶对铜片的粘附强度循环测试(横坐标
39.displacement为位移，纵坐标adhesive strength为粘附强度)。
40.图4为本发明的实施例1的离子导电纳米复合水凝胶基自供电装置在-14℃环境下点亮灯泡的照片。
41.实施例2：
42.本实施例的离子导电纳米复合水凝胶的制备方法包括如下步骤：
43.(1)、将0.21g的锂藻土laponite xlg加入到5ml去离子水中，在超声下处理30分钟形成均匀分散液；
44.(2)、将3.1g的离子液体(ils)、1.56g的丙烯酰胺、0.52g的丙烯酸-2-羟乙酯加入到laponite分散液中，充分搅拌形成均匀溶液。
45.(3)、将光引发剂(单体质量的1％)加入步骤(2)中得到的均匀溶液中，充分搅拌后将其注入模具，模具由中间由硅胶条隔开两块透明玻璃组成；
46.(4)、将模具置于紫外灯下照射，得到最终水凝胶。
47.实施例3：
48.本实施例的离子导电纳米复合水凝胶的制备方法包括如下步骤：
49.(1)、将0.32g的锂藻土laponite xlg加入到5ml去离子水中，在超声下处理30分钟形成均匀分散液；
50.(2)、将3.20g的离子液体(ils)、1.60g的丙烯酰胺、0.54g的丙烯酸-2-羟乙酯加入到laponite分散液中，充分搅拌形成均匀溶液。
51.(3)、将光引发剂(单体质量的1％)加入步骤(2)中得到的均匀溶液中，充分搅拌后将其注入模具，模具由中间由硅胶条隔开两块透明玻璃组成；
52.(4)、将模具置于紫外灯下照射，得到最终水凝胶。
53.实施例4：
54.本实施例的离子导电纳米复合水凝胶的制备方法包括如下步骤：
55.(1)、将0.26g的锂藻土laponite xlg加入到5m l去离子水中，在超声下处理30分钟形成均匀分散液；
56.(2)、将0.26g的离子液体(ils)、1.32g的丙烯酰胺、0.44g的丙烯酸-2-羟乙酯加入到laponite分散液中，充分搅拌形成均匀溶液。
57.(3)、将光引发剂(单体质量的1％)加入步骤(2)中得到的均匀溶液中，充分搅拌后将其注入模具，模具由中间由硅胶条隔开两块透明玻璃组成；
58.(4)、将模具置于紫外灯下照射，得到最终水凝胶。
59.上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。