阅读说明：本技术 一种粘性水凝胶及其制备方法和应用 (Adhesive hydrogel and preparation method and application thereof ) 是由 封伟 张志兴 唐林 张飞 于 2018-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种粘性水凝胶及其制备方法和应用,首先将丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵分散于去离子水中；其次将引发剂,催化剂加入到前一步所得溶液中,冰浴搅拌溶解后形成反应体系：再将该反应体系静置于25-70℃下反应,得到聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；最后将得到的聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵加入到聚丙烯酸水溶液中,振荡得到产物,清洗得到目标粘性水凝胶。本发明利用超分子作用力,将两种带有不同电荷属性的水溶性聚合物复合,制备具有粘性可拉伸的水凝胶,并且这种水凝胶具有离子导电特性,对温度和压力变化具有敏感性,有望作为柔性的温度和压力传感器件。(The invention discloses a viscous hydrogel and a preparation method and application thereof, firstly, acryloyloxyethyl trimethyl ammonium chloride is dispersed in deionized water; secondly, adding an initiator and a catalyst into the solution obtained in the previous step, stirring and dissolving in an ice bath to form a reaction system: standing the reaction system at 25-70 ℃ for reaction to obtain polyacryl oxyethyl trimethyl ammonium chloride; and finally, adding the obtained polyacrylic acyl oxyethyl trimethyl ammonium chloride into a polyacrylic acid aqueous solution, oscillating to obtain a product, and cleaning to obtain the target viscous hydrogel. The invention utilizes supermolecule acting force to compound two water-soluble polymers with different charge attributes to prepare the viscous and stretchable hydrogel, and the hydrogel has ion conduction property, is sensitive to temperature and pressure change and is expected to be used as a flexible temperature and pressure sensing device.)

一种粘性水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，更加具体地说，涉及一种粘性水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶是一种具有三维网络结构且含有大量水分是软性材料，可通过物理或者化学的方法来获得。水凝胶因具有良好的生物相容性、弹性等特点，使得其在众多领域均可应用，如药物载体、人工肌肉、医用敷料、传感器。水凝胶特殊的三维多孔结构，有利于电解质离子的传导和界面作用的发生，因此基于水凝胶的传感器件已经得到长足发展。目前，基于水凝胶的传感器件大都是通过在水凝胶中填充离子电解质，赋予其离子导电性，进一步通过结构设计来获得力敏型的传感器(捕捉拉伸或者压缩产生的电信号)。但温度敏感型的水凝胶基传感器还有待进一步的发展。此外，一般的水凝胶基传感器在与被测试物体接触时需要双面胶带来固定，这就有可能会由于传感器未与被测物体有直接接触，进而导致测试的精度下降。如果是粘性水凝胶，就可以避免使用胶带来固定，直接与被测试物体接触，更加精准的感应和传输信号。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种粘性水凝胶及其制备方法和应用，利用超分子作用力，将两种带有不同电荷属性的水溶性聚合物复合，制备了具有粘性可拉伸的水凝胶，并且这种水凝胶具有离子导电特性，对温度和压力变化具有敏感性，有望作为柔性的温度和压力传感器件。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种粘性水凝胶，由聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、聚丙烯酸和水组成，其中聚丙烯酸和聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为(10—20)：1，聚丙烯酸的浓度为0.1—0.5g/ml水。

而且，聚丙烯酸和聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为(12—16)：1。

而且，聚丙烯酸(PAA)的重均分子量为1—5万。

而且，聚丙烯酸的浓度为每毫升水中0.2—0.5g。

而且，聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为1—5质量份丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵均聚制备而成，优选1—3质量份丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵均聚制备而成，每一质量份为1g。

而且，聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(PDAC)的制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，将丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)单体均匀分散于去离子水中；

步骤2，将引发剂、催化剂四甲基乙二胺(TEMED)加入到步骤1所得溶液中，冰浴搅拌溶解均匀分散后形成反应体系：

步骤3，将步骤2得到的反应体系置于25-70℃下静置反应，得到聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(PDAC)。

其中，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵在去离子水中的浓度为每毫升去离子水0.2—1g。

引发剂为过硫酸铵(APS)，相对丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体的质量，引发剂用量为3—6mg/g单体(即每g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体，对应3—6mg引发剂)。

相对丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体的质量，催化剂四甲基乙二胺用量为10—15μL/g单体(即每g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体，对应10—15μL催化剂)。

反应温度优选50—70摄氏度，反应时间为4—24小时，优选6—15小时。

聚合反应结束之后，将得到的PDAC水溶液进行透析处理3-4次(截留分子量选择数均分子量3000—5000)，以除去未反应完的单体及其它小分子，而后60℃干燥得到PDAC聚合物。

一种粘性水凝胶的制备方法，按照下述步骤进行：将聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵溶于去离子水中形成均匀的聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵水溶液，再将聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵水溶液加入到聚丙烯酸水溶液中振荡搅拌可得凝胶产物，取出产物用去离子水清洗表面，得到即目标粘性水凝胶。

所述振荡搅拌选择机械，或者超声进行实现。

本发明的粘性水凝胶的电学性能随着温度和压力变化而发生变化，同时具有良好的柔性和一定的电导率，可作为温度和压力传感材料，即在温度传感材料和压力传感材料中的应用。

与现有技术相比，本发明利用具有电负性官能团的聚丙烯酸作为骨架，通过超分子作用进一步和具有正电性的聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵构筑交联结构来获得水凝胶；同时利用低分子量的聚丙烯酸的粘结性使得所得水凝胶表现出粘附性。本发明制备的水凝胶可成型任意形状，表现出良好的柔性和一定的电导率，且其电学性能敏感于温度和压力变化，可作为柔性的温度和压力传感材料。

附图说明

图1为本发明所制备的水凝胶的拉伸性能示意照片。

图2为本发明使用的样品电阻测试仪器结构示意图(温度变化)。

图3为本发明所制备的水凝胶的温敏特性测试曲线图。

图4为本发明使用的样品电阻测试仪器结构示意图(压力变化)。

图5为本发明所制备的水凝胶的压敏特性测试曲线图。

具体实施方式

以下结合附图并通过具体是实施例对本发明的上述内容作进一步详细说明。丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵购自北京百灵威科技有限公司，过硫酸铵购自天津科密欧化学试剂有限公司，四甲基乙二胺购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，聚丙烯酸溶液购自上海麦克林生化科技有限公司。采用超声振荡实现PDAC水溶液和聚丙烯酸溶液的水凝胶化。

实施例1

(1)将2g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体均匀分散于5ml去离子水中；

(2)将10mg引发剂过硫酸铵，20ul催化剂四甲基乙二胺加入到步骤1)所得溶液中，冰浴温度为5℃，冰浴搅拌20min.后形成反应体系；

(3)将步骤2)所得反应体系在25℃下静置反应12h,得到聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；

(4)将(3)得到的PDAC水溶液进行透析处理3-4次，以除去未反应完的单体及其它小分子，而后60℃干燥得到PDAC聚合物，并将其配制成0.1g/ml的PDAC水溶液。

(5)取(4)得到的PDAC水溶液1ml加入到5ml聚丙烯酸溶液(聚丙烯酸水溶液的浓度为0.2g/ml)中，振荡得到产物,取出产物用去离子水清洗表面，得到目标粘性水凝胶。

实施例2

(1)将1g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体均匀分散于5ml去离子水中；

(2)将6mg引发剂过硫酸铵，15ul催化剂四甲基乙二胺加入到步骤1)所得溶液中，冰浴温度为5℃，冰浴搅拌20min后形成反应体系；

(3)将步骤2)所得反应体系在50℃下静置反应10h得到聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；

(4)将(3)得到的PDAC水溶液进行透析处理3-4次，以除去未反应完的单体及其它小分子，而后60℃干燥得到PDAC聚合物，并将其配制成0.1g/ml的PDAC水溶液。

(5)取(4)得到的PDAC水溶液1ml加入到4ml聚丙烯酸溶液(聚丙烯酸水溶液的浓度为0.5g/ml)中，振荡得到产物,取出产物用去离子水清洗表面，得到目标粘性水凝胶。

实施例3

(1)将4g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体均匀分散于5ml去离子水中；

(2)将12mg引发剂过硫酸铵，40ul催化剂四甲基乙二胺加入到步骤1)所得溶液中，冰浴温度为5℃，冰浴搅拌20min.后形成反应体系；

(3)将步骤2)所得反应体系在70℃下静置反应6h，得到聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；

(4)将(3)得到的PDAC水溶液进行透析处理3-4次，以除去未反应完的单体及其它小分子，而后60℃干燥得到PDAC聚合物，并将其配制成0.1g/ml的PDAC水溶液。

(5)取(4)得到的PDAC水溶液1ml加入到6ml聚丙烯酸溶液(聚丙烯酸水溶液的浓度为0.2g/ml)中，振荡得到产物,取出产物用去离子水清洗表面，得到目标粘性水凝胶。

实施例4

(1)将3g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体均匀分散于5ml去离子水中；

(2)将15mg引发剂过硫酸铵，36ul催化剂四甲基乙二胺加入到步骤1)所得溶液中，冰浴温度为5℃，冰浴搅拌20min后形成反应体系；

(3)将步骤2)所得反应体系在70℃下静置反应6h，得到聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；

(4)将(3)得到的PDAC水溶液进行透析处理3-4次，以除去未反应完的单体及其它小分子，而后60℃干燥得到PDAC聚合物，并将其配制成0.1g/ml的PDAC水溶液。

(5)取(4)得到的PDAC水溶液1ml加入到8ml聚丙烯酸溶液(聚丙烯酸水溶液的浓度为0.2g/ml)中，振荡得到产物,取出产物用去离子水清洗表面，得到目标粘性水凝胶。

实施例5

(1)将5g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体均匀分散于5ml去离子水中；

(2)将20mg引发剂过硫酸铵，50ul催化剂四甲基乙二胺加入到步骤1)所得溶液中，冰浴温度为5℃，冰浴搅拌20min后形成反应体系；

(3)将步骤2)所得反应体系在50℃下静置反应15h得到聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；

(4)将(3)得到的PDAC水溶液进行透析处理3-4次，以除去未反应完的单体及其它小分子，而后60℃干燥得到PDAC聚合物，并将其配制成0.1g/ml的PDAC水溶液。

(5)取(4)得到的PDAC水溶液1ml加入到5ml聚丙烯酸溶液(聚丙烯酸水溶液的浓度为0.4g/ml)中，振荡得到产物,取出产物用去离子水清洗表面，得到目标粘性水凝胶。

依据本发明技术方案制备的水凝胶结构如下式所示，宏观如附图1所示，展现了本发明所得水凝胶的柔性，拉伸可达1000％。

温敏性能测试：采用TH2830数字电桥测量仪(购于常州同惠电子股份有限公司)的电阻档进行测试，扫描频率为1KHz,每隔0.3秒记录一个测量值。测试样品的尺寸为30×5×1mm的样条，测量方式如图2所示。在25℃的室温条件下，测量一个35℃的热源靠近样品而不接触样品时的电信号变化，测量结果如图3所示。从图3中可知，当35℃的热源靠近样品时，样品的电阻信号会有一个明显的增大；当热源远离样品时，样品的电阻信号则会显著降低这就说明本发明制备的水凝胶对敏感于温度变化，可用于制备温敏性传感器(即在制备温敏传感器中的应用)。

压敏性能测试：采用TH2830数字电桥测量仪(购于常州同惠电子股份有限公司)的电容档进行测试，扫描频率为1KHz,每隔0.3秒记录一个测量值。将尺寸为30×10×1mm的样片与介电层(3MVHB)构成如图4所示的三明治结构。压敏测试结果如图5所示。从图5中可知，当未对图4所示的器件施加应力是，器件表现出稳定的电容值，随着应力的施加，该器件的电容值有明显的变化，撤除外力，其电容值又可恢复到初始值，数次循环测试，所设计的压敏性器件仍能实现对压力的感应，说明本发明所得水凝胶有制备压力传感器的潜力(即在制备压敏传感器中的应用)。

根据本发明内容进行制备工艺参数的调整，均可实现本发明水凝胶的制备，且表现出与实施例基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。