一种采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶及其制备方法与应用

本发明属于水凝胶材料，具体涉及一种采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶，以及所述导电水凝胶的制备方法与应用。

背景技术：

1、导电水凝胶是一类融合高分子柔性亲水性与导电材料电学性能的复合功能材料，凭借其可变形、可导电、易加工的特性，成为柔性传感器、可穿戴电子设备、生物医学检测、软机器人等领域的核心材料之一。目前传统导电水凝胶存在诸多技术缺陷：化学交联型水凝胶的交联结构不可逆，力学韧性差、断裂伸长率低，且交联剂残留易降低生物相容性，限制其应用；单一离子交联、氢键交联等水凝胶，网络结构稳定性不足。疏水缔合水凝胶通过分子间疏水缔合作用形成动态可逆的物理交联网络，在外力刺激下可实现网络结构的重构，具备优异的力学韧性和自修复性能，将其引入导电水凝胶中可有效改善力学性能缺陷。

2、海藻酸钠作为天然高分子多糖，具有良好的生物相容性和离子交联特性，可与ca2+、fe3+、al3+等金属阳离子快速形成稳定的离子交联网络，且原料廉价易得，是构建水凝胶物理交联网络的理想基材。因此，通过设计疏水缔合-离子交联双重交联网络结构水凝胶，可以实现表面活性剂与疏水单体的高效疏水缔合、海藻酸钠与金属阳离子的稳定离子交联，制备出综合性能优异的导电水凝胶。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有导电水凝胶存在的力学韧性差、水溶胀率高、导电稳定性不佳等技术问题，提供一种采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶及其制备方法与应用，该水凝胶为疏水缔合-离子交联双重网络结构，兼具优异的力学性能、自修复性、导电性能和生物相容性，且制备工艺简便、反应条件温和、原料易得，应用性广泛。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶，以重量计，包括如下组分：

4、去离子水100份；

5、丙烯酰胺（am）20 ~ 40份；

6、海藻酸钠（sa）1 ~ 3份；

7、表面活性剂3 ~ 5份；

8、疏水单体1 ~ 4份；

9、导电填料0.1 ~ 0.5份；

10、过硫酸铵（aps）0.2 ~ 0.4份。

11、优选的，所述am的重均分子量为71.08 g/mol，纯度为99.0%。

12、优选的，所述sa的粘度为5000 mpa·s，其1%的水溶液ph值为6 ~ 8。

13、优选的，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠（sds）、十二烷基苯磺酸钠（sdbs）、十六烷基三甲基溴化铵（ctab）中的一种或两种及以上的复配。

14、优选的，所述疏水单体为甲基丙烯酸十八酯（sma）、甲基丙烯酸月桂酯（lma）、甲基丙烯酸十六酯（hma）中的一种或两种及以上的复配。

15、优选的，所述导电填料为石墨烯、碳纳米管中的一种或两种的复配。

16、优选的，所述aps的重均分子量为228.2 g/mol，纯度≥98.0%。

17、优选的，所述金属阳离子盐溶液为1 ~ 3 wt%的氯化钙（cacl2）溶液、氯化铁（fecl3）溶液、氯化铝（alcl3）溶液中的一种或两种及以上的复配。

18、上述采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

19、s1、将导电填料分散于去离子水中，超声分散1 h，磁力搅拌12 h，得到稳定的分散液备用；

20、s2、将表面活性剂和疏水单体加入导电填料分散液中，以300 ~ 500 r/min磁力搅拌30 min，至各组分完全溶解，得到疏水缔合前驱体溶液；

21、s3、向所述前驱体溶液中加入sa、am，升温至40 ~ 60 °c磁力搅拌1 ~ 2 h，超声分散15 ~ 30 min，得到混合溶液；

22、s4、将aps加入所述混合溶液中，室温下快速搅拌5 ~ 10 min至分散均匀，随后将混合液倒入模具中，60 °c恒温反应3 ~ 5 h，通过aps引发am聚合，并利用表面活性剂与疏水单体的疏水缔合作用形成第一交联网络；

23、s5、将模具中的水凝胶取出，浸泡于1 ~ 3 wt%的金属阳离子盐溶液中，室温下静置1 ~ 2 h，使sa与金属阳离子发生离子交联形成第二交联网络；

24、s6、将浸泡后的水凝胶用去离子水反复洗涤3 ~ 5次，去除未反应的单体和杂质，最终得到疏水缔合作用交联的导电水凝胶。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

26、本发明构建了疏水缔合-离子交联双重交联网络，其中第一网络为疏水缔合交联网络，由表面活性剂的疏水链段与疏水单体的疏水基团通过分子间疏水缔合作用自组装形成，为动态可逆的物理交联网络；第二网络为离子交联网络，由海藻酸钠分子链上的羧基与金属阳离子发生配位交联反应形成，为稳定的离子配位交联网络，两大网络相互穿插、协同作用，解决了传统导电水凝胶力学韧性差、水溶胀率高的问题，赋予水凝胶优异的综合性能；本发明在水凝胶中加入导电填料形成连续的导电通路，导电稳定性优异；本发明选用的原料包括海藻酸钠、丙烯酰胺等，均具有良好的生物相容性，且制备过程中未使用有毒有害的交联剂和溶剂，反应条件温和，无污染物产生；本发明制备的导电水凝胶兼具优异的力学韧性、疏水稳定性、导电性能和生物相容性，在柔性传感器、可穿戴电子设备等领域具有潜在应用价值。

27、疏水缔合作用交联的导电水凝胶的性能测试

28、应力和断裂伸长率采用万能力学试验机对水凝胶样品进行拉伸性能测试，圆柱形水凝胶样品尺寸为4 mm × 25 mm，拉伸速率为2 mm/s，测试温度为室温。

29、电导率采用电化学工作站进行测试。将两枚金属片作为电极放置在两端，中间放置直径10 mm、厚度0.5 mm的圆柱形水凝胶薄片，通过导线将电极与电化学工作站相连，由电化学阻抗谱对水凝胶的交流阻抗进行测试，频率范围为0.1 ~ 106 hz。

30、溶胀率采用浸泡法进行测试。将水凝胶样品烘干至恒重，记下初始质量，再将样品至于纯水中进行溶胀，浸泡24 h后取出，并用滤纸吸去表面水分进行称量，计算溶胀率。溶胀率（%）=（溶胀后质量-干燥恒重质量）/干燥恒重质量×100%。

31、传感性能采用精密电阻测试仪记录水凝胶在拉伸、释放以及人体运动监测过程中的实时电阻变化，评估其应变传感性能。

1.一种采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

2.权利要求1所述的采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，以重量计，包括如下组分：

3.权利要求2所述的采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述am的重均分子量为71.08 g/mol，纯度为99.0%。

4.权利要求2所述的采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述sa的粘度为5000 mpa·s，其1%的水溶液ph值为6 ~ 8。

5.权利要求2所述的采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠（sds）、十二烷基苯磺酸钠（sdbs）、十六烷基三甲基溴化铵（ctab）中的一种或两种及以上的复配。

6.权利要求2所述的采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述疏水单体为甲基丙烯酸十八酯（sma）、甲基丙烯酸月桂酯（lma）、甲基丙烯酸十六酯（hma）中的一种或两种及以上的复配。

7.权利要求2所述的采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述导电填料为石墨烯、碳纳米管中的一种或两种的复配。

8.权利要求2所述的采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述aps的重均分子量为228.2 g/mol，纯度≥98.0%。

9.权利要求2所述的采用疏水缔合作用交联的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述金属阳离子盐溶液为1 ~ 3 wt%的氯化钙（cacl2）溶液、氯化铁（fecl3）溶液、氯化铝（alcl3）溶液中的一种或两种及以上的复配。