[发明专利]芳纶纳米纤维/聚乙烯醇/聚苯胺复合水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种芳纶纳米纤维/聚乙烯醇/聚苯胺复合水凝胶及其制备方法和应用。所述的复合水凝胶是以芳纶纳米纤维和聚乙烯醇水凝胶为基质，并在酸性条件下原位聚合聚苯胺制得。在多种氢键的相互作用下，复合水凝胶的力学强度和韧性显著提升。同时，由于存在导电聚苯胺，本发明的复合水凝胶具有较高的灵敏度，并且在实际应用中能重复稳定的检测出电信号的变化。本发明的复合水凝胶具有高力学强度、高韧性和高灵敏度，适用于可穿戴式应变传感器领域。

技术领域

本发明属于聚合物复合材料制备技术领域，涉及一种芳纶纳米纤维/聚乙烯醇/聚苯胺复合水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

应变传感材料是指以信号传导的形式将外界刺激(如拉伸、压缩等)转化为可传输的电信号来实现对外界刺激实时检测的功能材料。该类材料在人体临床诊断、健康监控评估、柔性触摸屏、柔性电子皮肤以及工业机器人等领域拥有极大的应用潜力。水凝胶是一种柔软和湿润聚合物，通过物理或者化学交联相互缠结形成三维空间网状结构的固体物质，不仅具有与生物组织相似的良好柔韧性，而且与传统的刚性聚合物材料相比，具有良好的拉伸性和恢复能力，是制备可穿戴或植入设备的理想选择。文献《J.Mater.Chem.C,2018,6,9200-9207》中将聚丙烯酸(PAA)和导电聚苯胺(PANI)复合制备了一类具有双重协同网络的极易拉伸和导电的水凝胶。该水凝胶可用于制造应变传感器，具有良好的灵敏度(GF＝0.48～0.63)和宽广的感应范围(0～1130％)，但是其最大拉伸强度仅为0.3MPa。因此，实现高强度，高韧性和高传感灵敏度是应变传感器发展的一个重要方向。

聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)是一种高性能芳纶纤维(ANF)，自七十年代以来其已作为一种轻质高强材料被广泛应用于军事领域。经溶液处理的ANF保留其宏观母体的高机械性能，可以作为高强度柔性导体和电池隔膜的构件。文献《Advanced Materials,2018,30(1):1703343-1703348》采用简单的溶剂交换法可以实现ANF纳米纤维的凝胶化，同时通过引入聚乙烯醇(PVA)与纳米纤维复合制备出的水凝胶材料在具有高持水量的同时，其拉伸模量、断裂伸长率、压缩强度分别可达9.1MPa、325％、26MPa。目前，对基于ANF纳米纤维水凝胶的研究相对缺乏，仍然主要集中于其优异的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芳纶纳米纤维/聚乙烯醇/聚苯胺复合水凝胶及其制备方法和应用。

实现本发明目的的技术解决方案为：

芳纶纳米纤维/聚乙烯醇/聚苯胺复合水凝胶(ANF/PVA/PANI)的制备方法，具体步骤如下：

(1)采用二甲基亚砜(DMSO)/KOH体系将PPTA纺丝纤维溶解制成芳纶纳米纤维溶液；

(2)将PVA溶解于DMSO中制成PVA溶液；

(3)将芳纶纳米纤维溶液与PVA溶液搅拌混合均匀，并将得到的混合溶液真空干燥除去多余的溶剂，控制固体含量为10～15％；

(4)将步骤(3)得到的混合体系浇铸在模具中，然后浸入水中，得到具有特定几何形状的ANF/PVA水凝胶；

(5)将ANF/PVA水凝胶浸泡在含有0.3～0.4M苯胺(ANI)的盐酸溶液中，冰水浴下浸渍24小时以上，然后加入预冷的含有过硫酸铵的盐酸水溶液，冰水浴下反应12～24h，反应结束后洗涤除去未反应的单体，得到ANF/PVA/PANI复合水凝胶。

进一步的，步骤(1)中，所述的芳纶纳米纤维溶液的浓度为10～20mg/mL，溶解时间为四周以上，溶解温度为室温。

进一步的，步骤(2)中，所述的PVA溶液的浓度为80～100mg/mL。PVA溶液的配制如下：将分子量为145000～165000的PVA置于DMSO中室温充分溶胀，然后在90～95℃的高温下溶解至完全透明，静置至气泡完全消失。