一种自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶及其制备方法

文档序号：1196888 发布日期：2020-09-01 浏览：9次 >En<

阅读说明：本技术 一种自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶及其制备方法 (Self-adhesive agglomerated sodium acrylate conductive hydrogel and preparation method thereof ) 是由珠淮于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及水凝胶技术领域,尤其涉及一种自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶及其制备方法。所述方法包括以下步骤：将聚丙烯酸钠、乙二胺四乙酸二钠和交联剂溶于溶剂A中,得到A相；将导电纳米材料分散液、卡波姆和溶剂B混合,利用pH调节剂调节pH值至酸性,得到B相；将A相和B相混合均匀得到混合相,静置陈化后即得到自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶。本发明制备的自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶,采用醇水混合体系进行自发性聚合制备,具有更好的保水性能,在存储性以及持续使用性上均具有良好的表现,并且具备良好的导电性、粘附性。(The invention relates to the technical field of hydrogel, in particular to self-adhesive agglomerated sodium acrylate conductive hydrogel and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: dissolving sodium polyacrylate, disodium ethylene diamine tetraacetate and a cross-linking agent in a solvent A to obtain a phase A; mixing the conductive nano material dispersion liquid, carbomer and a solvent B, and adjusting the pH value to be acidic by using a pH regulator to obtain a phase B; and uniformly mixing the phase A and the phase B to obtain a mixed phase, and standing and aging to obtain the self-adhesive sodium polyacrylate conductive hydrogel. The self-adhesive agglomerated sodium acrylate conductive hydrogel prepared by the invention is prepared by spontaneous polymerization in an alcohol-water mixed system, has better water retention performance, good performance in storage property and continuous use, and good conductivity and adhesiveness.)

技术领域

本发明涉及水凝胶技术领域，尤其涉及一种自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶及其制备方法。

背景技术

导电水凝胶作为一种新型的功能材料，已经引起了广泛的关注。由于其结合了水凝胶和导电材料的双重特性，同时具备良好的柔韧性和优异的导电性，可以被用于制备可穿戴的生物电子设备、生物传感器、健康监测电极等。目前，大多导电水凝胶采用以导电高分子为基体，如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，但其合成过程繁琐，且力学性能、柔韧性差，限制了其应用。

碳纳米管由于其具有独特的一维纳米结构，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用背景也不断地展现出现。但碳纳米管的生物相容性差，在很大程度上限制了其应用。将碳纳米管掺杂到水凝胶中，可以赋予水凝胶良好的导电性能和力学性能，同时水凝胶也赋予了碳纳米管良好的生物相容性。

传统导电水凝胶粘附性能差，需要依靠绷带、胶带、胶粘剂等才能有合适的粘附性。依靠额外的粘附剂，增加了导电水凝胶使用的复杂性。因此，设计一种本身具有良好的自粘附性和较高的导电性能的水凝胶是十分有意义的。此外，导电水凝胶在实际使用过程中，水分子无法被稳定地固定在聚合物网络中。当水分减少到一定程度后，其原本具有的导电性能会明显下降，限制了其应用。因此，提高其保水性能是延长其使用寿命，保证导电水凝胶具有长久的稳定性中至关重要的一环。

为解决传统导电水凝胶的粘附性能差的问题，本领域技术人员对传统导电水凝胶进行了改进。如中国专利局于2018年8月24日公开的一种自粘附导电水凝胶的制备方法的发明专利授权，授权公开号为CN105906821B，其首先制备得到双键化生物大分子粉末，并配合导电纳米材料，在光引发的条件下实现自由基聚合，得到具有粘附性的导电水凝胶。但该技术方案首先存在制备工艺繁琐、难以推广使用的问题，并且，其未考虑到也并未进一步改善导电水凝胶的保水性能，因此还存在水分子流失后其导电性能容易产生快速的下降的问题。

发明内容

为解决现有的导电水凝胶粘附性较差，需要依靠绷带、胶带、胶粘剂等外源性粘附物配合实现粘附效果，增加了其使用复杂性，以及现有的导电水凝胶保水性能差，在水分流失后容易产生导电性快速下降等问题，本发明提供了一种自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶及其制备方法。本发明的目的在于：一、制备得到具有良好粘附性能的导电水凝胶；二、确保所制得的水凝胶具有良好的保水性能；三、确保所制得水凝胶具有良好的导电性；四、简化制备工艺，适于推广和使用，降低对生产条件的要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶的制备方法，

所述方法包括以下步骤：

1)将聚丙烯酸钠、乙二胺四乙酸二钠和交联剂溶于溶剂A中，得到A相；

2)将导电纳米材料分散液、卡波姆和溶剂B混合，利用pH调节剂调节pH值至酸性，得到B相；

3)将A相和B相混合均匀得到混合相，静置陈化后即得到自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶。

在本发明方法中，通过简单的溶解配制A相和B相，并将A相和B相混合，静置陈化即可方便地得到自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶。制备方法简洁，基本无对设备的需求、常温下即可进行，并且操作难度低，容易实现并且易于产业化地生产和制备。

并且，本发明中，通过选用不同的两种溶剂，采用不同溶剂的配合提高整体导电水凝胶的保水性能，在静置陈化自发性进行聚合的过程中，聚合前驱体对导电纳米材料进行均匀的包覆，提高了导电水凝胶的导电性，并且自发性聚合所得的“载体”具有良好的粘性，使得所制得的水凝胶具有自粘附特性，并且有利于稳定导电纳米材料在“载体”中的位置，有利于提高整体导电水凝胶的导电均匀性。

作为优选，

所述交联剂为铝盐；

所述铝盐为三氯化铝、硫酸铝和二羟基氨基乙酸铝中的任意一种或多种。

上述交联剂常见、易获得且价格低廉，所形成的键桥稳定，并且采用铝盐作为交联剂，进一步引入了金属铝离子，有利于进一步提高导电水凝胶的导电性。

作为优选，

所述溶剂A为醇类溶剂；

所述醇类溶剂为乙二醇、丙三醇和聚乙二醇中的任意一种或多种混合。

醇类溶剂能够实现良好的溶解和稳定各组分的效果，还可以大大提高导电水凝胶的保水性能和持久使用性。

作为优选，

所述导电纳米材料分散液中所含的导电纳米材料为碳纳米管、聚吡咯纳米颗粒、炭黑纳米颗粒、石墨烯纳米片、金纳米颗粒和银纳米颗粒中的任意一种或多种混合；

所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或多种混合；

所述导电纳米材料分散液中导电纳米材料的含量为0.05～0.2g/mL。

上述导电纳米材料均较为常见，其最优选用碳纳米管。碳纳米管相较于其他的导电纳米材料，具有性价比较高、更容易稳定结合在导电水凝胶中等优点，有利于提高导电水凝胶的导电均匀性。

作为优选，

所述卡波姆为卡波姆934、卡波姆940和卡波姆941中的任意一种或多种；

所述pH调节剂为有机酸；

所述有机酸为柠檬酸、酒石酸和苹果酸中的任意一种或多种；

所述溶剂B为水。

采用有机酸作为pH调节剂相较于引入无机酸，其更加稳定，并且具有一定稳定pH值的作用，能够确保后续静置陈化过程中pH值的稳定性，避免自发性聚合由于静置陈化过程pH值发生改变而终止，或导致导电水凝胶先聚合部分和后聚合部分密度、导电性不均等问题发生。

作为优选，

所述混合相中：

聚丙烯酸钠的质量百分比为3～10wt％；

乙二胺四乙酸二钠的质量百分比为0.05～0.2wt％；

交联剂的质量百分比为0.1～0.5wt％；

导电纳米材料分散液的质量百分比为1～10wt％；

卡波姆的质量百分比为1～3wt％；

pH调节剂的质量百分比为0.1～0.4wt％；

余量为溶剂A和溶剂B。

上述配比的各组分能够起到较优的制备效果，其中，更优的配比为：

聚丙烯酸钠的质量百分比为5～6wt％；

乙二胺四乙酸二钠的质量百分比为0.08～0.12wt％；

交联剂的质量百分比为0.15～0.25wt％；

导电纳米材料分散液的质量百分比为2～3wt％；

卡波姆的质量百分比为1.2～1.8wt％；

pH调节剂的质量百分比为0.18～0.25wt％。

在上述的更优配比范围内，所制得的导电水凝胶性能更加稳定，且更加良好。

作为优选，

所述混合相中：

溶剂A和溶剂B的质量比为(5～75)：(5～85)。

即醇水质量比为(5～75)：(5～85)，更优比为(35～55)：(35～55)。采用有机醇与水混合组成的水凝胶溶剂体系，醇与水之间的氢键作用使水更加稳定地固定在聚合物网络中。该导电水凝胶在常温环境中放置1～6个月之后，其水凝胶的自粘附性能、导电性能仍然能保持。

作为优选，

所述静置陈化时间≥6h。

静置陈化时间仅需达到至少6h即可，在6h静置陈化后能够确保导电水凝胶已完全凝固成型，不过静置陈化时间延长至24h以上后性能并无法进一步得到提升，因此最好控制在6～24h。

一种自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶。

上述自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶具有良好的自粘附特性、保水性和导电性。

本发明的有益效果是：

1)本发明制备的自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶，采用醇水混合体系进行自发性聚合制备，具有更好的保水性能，在存储性以及持续使用性上均具有良好的表现；

2)通过首先将导电纳米材料预配置为分散液，能够有效改善导电纳米材料在水中分散较为困难的问题，尤其是碳纳米管存在其分散于大量的水中时难以实现均匀分散的问题，因此预配置分散液解决了碳纳米管在水溶液中的分散问题，并提高了导电水凝胶的导电性能和力学性能；

3)本发明制备的自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶，原料常见，操作方法简单，制备过程快捷，在常温下即可进行，且反应稳定，适用于工业化大规模生产；

4)本发明制备的自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶，具有良好的力学性能，粘附性能好，柔韧性能好，在可形变电子元件、柔性储能器件和传感器等方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1所制得自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶的示意图；

图2为本发明实施例1所制得自粘附聚丙烯酸钠导电水凝胶的粘附示意图；

图3为导电水凝胶的电导率测试图；

图4为导电水凝胶的电导率保持率-时间测试图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。

实施例1