一种离子导电水凝胶的制备方法、离子导电水凝胶及应用

本发明涉及功能性水凝胶及传感器，具体涉及一种离子导电水凝胶的制备方法、离子导电水凝胶及应用。

背景技术：

1、近年来，随着对健康管理的日益重视，柔性传感器的发展改变了我们的日常生活，并在医疗保健监测、可穿戴电子产品和人机交互等领域取得了先进和广泛的应用。传统材料大多由半导体和金属组成，在大应变下会相互分离，导致导电网络破裂，失去导电稳定性和传感特性。纤维素纳米晶体具有高结晶度、高比表面积和高强度性能，聚乙烯醇(pva)具有良好的生物相容性和机械稳定性，且聚乙烯醇成本低，常被用作制备导电水凝胶的关键材料，纤维素纳米晶体、聚乙烯醇和金属离子经常被用于制备水凝胶。因此，为了实现水凝胶传感器的功能性应用，离子导电水凝胶是将导电水凝胶引入可溶性盐离子中，导电离子对水凝胶的性能有着一定的影响，使其具有良好的导电性和稳定性。然而，大多数离子导电水凝胶不能满足可穿戴应变传感器的要求，难以兼顾透光率、拉伸强度、电导率和灵敏度因子。

2、中国专利cn111704728a公开了一种透明的离子导电纤维素水凝胶及其制备方法和应用。通过流延法在室温下交联后放入一系列电解质/水/有机溶剂中，在0℃的环境下静置12～24h，得到透明的离子导电纤维素水凝胶。所得的离子导电纤维素水凝胶具有可调节的力学性能和电学性能，具有十分广阔的应用前景。但是水凝胶传感性能不佳，不能满足多功能水凝胶传感器的使用要求。

3、中国专利cn110563968a公开了一种基于聚乙烯醇、槐豆胶、导电离子来源化合物和无机粒子的离子导电水凝胶的制备方法。通过与槐豆胶复合，两种聚合物形成高分子网络，且通过氢键互相连接，可以显着提高力学性能。但是上述专利公开的制备方法操作复杂，金属离子的使用未能更好的提高水凝胶的电导率。因此如何通过高效的一锅冷冻-循环法制备具有高透光率、高拉伸强度、导电性、抗冻和高灵敏度因子的离子导电多功能水凝胶仍是一个有待解决的难题。

技术实现思路

1、本发明针对离子导电水凝胶传感器效率低、拉伸强度低、耐低温性能差等缺点，提供一种离子导电水凝胶的制备方法，采用该方法能够制备出高透光率、高拉伸、高导电、高灵敏度和耐低温的水凝胶材料。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种离子导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：采用微晶纤维素硫酸水解法制备纤维素纳米晶体；

5、s2：根据s1制备的纤维素纳米晶体和聚乙烯醇制备粉末纤维素纳米晶体-聚乙烯醇水凝胶；

6、s3：将s2制备的粉末纤维素纳米晶体-聚乙烯醇水凝胶与氯化钠离子水溶液混合，制得离子导电水凝胶。

7、优选的，所述s1包括以下步骤：

8、s11：将微晶纤维素加入浓硫酸溶液中，充分搅拌，并用去离子水终止反应；

9、s12：将s11制备的溶液离心洗涤以分离沉淀物；

10、s13：将s12制备的溶液采用去离子水透析；

11、s14：将s13制备的溶液冷冻干燥，制得纤维素纳米晶体。

12、优选的，所述s2包括以下步骤：

13、s21：将纤维素纳米晶体在去离子水中均匀分散，制得纤维素纳米晶体水性悬浮液；

14、s22：将s21制得的纤维素纳米晶体水性悬浮液加入二甲基亚砜水溶液中，制得混合水溶液；

15、s23：将聚乙烯醇固体加入s22制得的溶液中，98～100℃油浴搅拌1～2h，形成均匀溶液；

16、s24：将s23制得的溶液加入聚四氟乙烯培养皿，在﹣15～﹣20℃完成1～3次冷冻-解冻循环，制得粉末纤维素纳米晶体-聚乙烯醇水凝胶。

17、优选的，所述s3包括以下步骤：

18、s31：将氯化钠在去离子水中均匀分散，得到1～5mol/l氯化钠离子水溶液；

19、s32：将制得的粉末纤维素纳米晶体-聚乙烯醇水凝胶浸渍在1～5mol/l的氯化钠离子水溶液中12～24h，得到离子导电水凝胶。

20、优选的，所述s22还包括制备二甲基亚砜水溶液的步骤。

21、一种根据前述的制备方法制得的离子导电水凝胶，所述离子水凝胶的拉伸强度达346kpa，断裂伸长率达377％，灵敏度因子达4.63。

22、一种根据前述的离子导电水凝胶的应用，用于离子皮肤、可穿戴设备、电阻性传感器。

23、由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：

24、1.优异的透光性能：本发明提供了一种高透明的离子导电水凝胶，通过在-15°c～-20℃下淬灭聚乙烯醇-二甲基亚砜水溶液以溶胶-凝胶转变来获得的，通过低温淬火，聚乙烯醇(pva)的相分离受到很大限制，聚乙烯醇(pva)链可以在体系中均匀结晶，形成更小的微晶，从而减少对可见光的干扰。

25、2.良好的拉伸强度和断裂伸长率：本发明通过酸水解法提取的纤维素纳米晶体(cnc)作为纳米增强复合材料可以有效改善水凝胶的力学性能，通过纤维素纳米晶体(cnc)和聚乙烯醇(pva)间的分子间和分子内氢键作用，协同赋予了水凝胶优异的机械性能；此外，纤维素纳米晶体与纤维素纳米晶体、聚乙烯醇与聚乙烯醇之间形成多重氢键和静电相互作用，多重氢键的形成赋予了水凝胶又一重力学性质。由此本发明的离子导电水凝胶具有氢键交联的特征，这延长了水凝胶的使用寿命和功能。经过机械拉伸试验表明，其拉伸强度达346kpa，断裂伸长率达377％。

26、3.优异的电学性能和传感性能：本发明通过浸渍nacl离子水溶液并引入金属离子na+和cl-作为导电物质，可增加导电性和传感性，在机械拉伸下，水凝胶电阻值明显变化，具有应变响应性；通过数字万用表构建基于水凝胶电池的自供电应变传感器装置，锌板用作阳极，铜板用作阴极，组装成电池结构，其电子通过导线不断地从负极流向正极，形成电位差，自供电装置可以将化学能转化为电能，产生的电压为0.859v；此外，水凝胶还可监测手指弯曲和人体运动，电阻变化稳定，具有可穿戴应变传感器和人机交互的潜力。

27、4.简单的制备方法：本发明设计了酸水解法提取的纤维素纳米晶体(cnc)，通过添加cnc，只需要一锅共混法，再循环冷冻-解冻即可得到离子导电水凝胶；操作步骤简单，设备需求较少，参数易于控制；制备的水凝胶只需在两端接上导线并封装即可，操作同样简单。

技术特征：

1.一种离子导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的离子导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述s1包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的离子导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述s2包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的离子导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述s3包括以下步骤：

5.根据权利要求3所述的离子导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述s22还包括制备二甲基亚砜水溶液的步骤。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的制备方法制得的离子导电水凝胶，其特征在于，所述离子水凝胶的拉伸强度达346kpa，断裂伸长率达377％，灵敏度因子达4.63。

7.一种根据权利要求1-5任一项所述的制备方法制得的离子导电水凝胶或权利要求6所述的离子导电水凝胶的应用，其特征在于，用于离子皮肤、可穿戴设备、电阻性传感器。

技术总结
本发明提供一种离子导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：S1：采用微晶纤维素硫酸水解法制备纤维素纳米晶体；S2：根据S1制备的纤维素纳米晶体和聚乙烯醇制备粉末纤维素纳米晶体‑聚乙烯醇水凝胶；S3：将S2制备的粉末纤维素纳米晶体‑聚乙烯醇水凝胶与氯化钠离子水溶液混合。本发明通过微晶纤维素的硫酸水解的方法自提取纤维素纳米晶体作为纳米增强基体，以赋予水凝胶优异的性质；其次，通过引入聚乙烯醇聚合物结构与纳米纤维素作为应力增强形成分子间和分子内氢键，提高水凝胶的力学性能，同时通过一锅冷冻‑解冻法和二甲基亚砜水溶液溶胶‑凝胶转变的思路制备水凝胶，进一步构建聚合物网络离子导电水凝胶，提高水凝胶的导电性和传感性。

技术研发人员：汪诚威,黄新民,孟灵灵,敖翔
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12