一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法及其应用

本发明涉及柔性可穿戴抗冻和导电水凝胶的制备及应用，具体地说就是一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法及其应用。

背景技术：

1、近年来，柔性导电水凝胶在可穿戴传感、人造电子皮肤、人机交互和生物电极等领域受到越来越多的关注。然而，基于水凝胶的可穿戴传感器件在严寒环境中使用时常由于水分子的冻结硬化而失去水凝胶的柔韧性、导电性和透明性等特性。为了满足不同环境的使用场景需求，相比于单一功能的导电水凝胶，集成高导电性、高拉伸性、抗冻性、抗干燥性、甚至发光性能的多功能导电水凝胶更有利于满足各种实际应用需求。

2、集成多种功能的导电水凝胶各种性能之间的相容性以及制备上仍然存在巨大的挑战。导电水凝胶的设计主要是通过结合导电聚合物、金属颗粒和碳基纳米填料来实现电子导电性，或者通过将带电盐或带电材料结合到弹性的三维水凝胶网络中来实现离子导电性。其中导电填料与聚合物网络之间的失配通常会降低水凝胶的机械和导电稳定性，且由于引入了不透明的导电材料而使水凝胶呈黑色。相比之下，离子导电水凝胶通常是透明的，这也符合一些实际应用如电子皮肤产品的基本要求，因为它允许器件和表皮的内部条件的可视化。

3、针对目前导电水凝胶在严寒环境中使用时所面临的问题，受自然界中耐寒生物的启发，引入抗冻剂如尿素、甘油、乙二醇、dmso等有机溶剂，大多数性能优异的抗冻凝胶属于有机凝胶。其中引入有机溶剂有两种方式，一种在聚合过程中加入有机溶剂与水组成混合溶剂；如lu等人在导电水凝胶中引入甘油获得了粘附性和低温抗冻性(-20℃)。一种是聚合完成后浸泡在有机溶剂中替代水溶剂。前者由于具有不同极性组分的有机溶剂/水混合溶剂体系会显著影响聚合过程，因此需要仔细优化特点的合成条件，而后者过程繁琐且耗时，取代条件和溶胀过程也会影响导电水凝胶的稳定性。受自然界海水的抗冻的启发，无机盐的引入也是提高抗冻性的一种策略。浙江农林大学吴强教授课题组近期利用高浓度盐溶液在聚合物网络构筑壳聚糖物理缠结结构，同时结合cgo的纳米增强效应，最终获得兼具力学、导电、抗冻的水凝胶材料并实现其在低温条件下的多尺度应变传感监测应用开发。提高聚合物链自身结合水的能力也是实现抗冻性的一种策略。如聚丙烯酸钠可以吸收自身重量200-300倍的水，这得益于带电荷的极性末端与水分子之间的强烈相互作用，减弱了水分子之间的结合作用。

4、上述实现集成多种功能的抗冻导电水凝胶的制备过程均需引入导电物质或抗冻剂来实现良好的导电性和抗冻性，制备过程复杂耗时且由于引入外加物质，显著影响聚合过程或需要后续多步骤处理，为解决上述问题，本申请提供一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法及其应用。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法及其应用。

2、本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法，包括如下步骤：

3、将am、aa、mba和aps加入到去离子水中，超声溶解，得到澄清透明的混合体系；随后将30wt%的氢氧化钠溶液加入混合体系中，迅速混合均匀后静置在室温环境中，等待2~3min即得水凝胶。

4、作为优化，所述氢氧化钠溶液占多功能水凝胶总质量的30%~40%。

5、作为优化，所述am和aa的质量比范围为1:1；aps占am和aa总质量的0.5wt%，mba占am和aa总摩尔量的0.0001~0.2%，am和aa的总质量占去离子水总质量的40wt%，氢氧化钠占体系总质量的10wt%。

6、一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶应用，包括上述任意一项的多功能水凝胶，将多功能水凝胶切成40mm×10mm×6mm的长方条体，在其两侧连接两根铜线以建立外部电路并连接到电化学工作站，模式设置为i-t，其中电压自动设置为1v，并在放电状态下记录实时电流。

7、本方案一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法及其应用，具有以下有益之处：

8、本发明无需引入光引发剂和特殊的抗冻剂或导电物质，通过引入强碱对丙烯酰胺水解碱化和丙烯酸直接碱化成盐，不仅加快了聚合反应形成凝胶的速度，也同时赋予了水凝胶优异的导电性以及抗冻性，相比于相同配方下采取热引发所得水凝胶性能均优异许多；

9、其中强碱对丙烯酰胺具有一定的水解作用使其形成丙烯酸，进一步碱化反应形成丙烯酸钠，在水解的过程中反应体系放出大量的热，恰好引发了引发剂过硫酸铵产生自由基，快速引发丙烯酸和丙烯酰胺以及交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺之间的自由基聚合反应，从而快速成胶。

10、其中聚合反应后形成了聚丙烯酸钠盐，即聚合物链侧基形成钠盐，其与水之间的结合力更强，从而削弱了水分子之间的结合力，抑制了凝胶中冰晶的形成，从而赋予了水凝胶优异的抗冻性。同时，剩余的钠离子与氢氧根离子大幅度提高了水凝胶的导电能力，而且还能降低溶液的结晶温度。聚(丙烯酰胺-丙烯酸)分子链之间的氢键作用和静电相互作用以及分子链与离子之间的静电相互作用等多种作用力共同提高了水凝胶的力学性能。

技术特征：

1.一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法，其特征在于：包括如下步骤：。

2.根据权利要求1所述的一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法，其特征在于：所述氢氧化钠溶液占多功能水凝胶总质量的30%~40%。

3.根据权利要求2所述的一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法，其特征在于：所述的

4.一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶应用，包括权利要求1~3任意一项所述的多功能水凝胶，其特征在于：将多功能水凝胶切成40mm×10mm×6mm的长方条体，在其两侧连接两根铜线以建立外部电路并连接到电化学工作站，模式设置为i-t，其中电压自动设置为1v，并在放电状态下记录实时电流。

技术总结
本发明涉及柔性可穿戴抗冻和导电水凝胶的制备及应用技术领域，具体地说就是一种快速制备高导电、抗冻、超高拉伸性多功能水凝胶的方法及其应用。包括如下步骤：将AM、AA、MBA和APS加入到去离子水中，超声溶解，得到澄清透明的混合体系；随后将30wt%的氢氧化钠溶液加入混合体系中，迅速混合均匀后静置在室温环境中，等待2~3min即得水凝胶。在其两侧连接两根铜线以建立外部电路并连接到电化学工作站，模式设置为I‑t，其中电压自动设置为1V，并在放电状态下记录实时电流即可进行应用。通过引入强碱对丙烯酰胺水解碱化和丙烯酸直接碱化成盐，不仅加快了聚合反应形成凝胶的速度，也同时赋予了水凝胶优异的导电性以及抗冻性。

技术研发人员：曹红岩,顾相伶,付生玮,赵唤,张子健,葛亚清,杨雪婷,赵艳艳
受保护的技术使用者：德州学院
技术研发日：
技术公布日：2024/6/30