[发明专利]透明的离子导电纤维素水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种透明的离子导电纤维素水凝胶及其制备方法和应用。本发明将纤维素均匀分散在烷基氢氧化铵水溶液中，在‑24℃下冷冻，完全冷冻后在室温下解冻，离心脱泡后得到透明均一的纤维素溶液，加入交联剂在冰水浴中机械搅拌20min后离心脱泡，通过流延法平铺于玻璃板或其他光滑表面，在室温下交联后放入一系列电解质/水/有机溶剂中，在0℃的环境下静置12～24h，得到透明的离子导电纤维素水凝胶。该发明通过在电解质水溶液中再生纤维素制备离子导电水凝胶，操作简单方便，所得的离子导电纤维素水凝胶具有可调节的力学性能和电学性能，具有十分广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及天然高分子水凝胶领域，具体涉及一种透明的离子导电纤维素水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

随着现代科技的发展，可再生资源和环境友好型资源在科学研究中的地位越来越重要。植物纤维素，作为自然界含量最丰富的天然高分子，由于其可再生性、可降解性、生物相容性、无毒性等性质一直是科学研究的重要方向。因此，植物纤维素在水处理、可穿戴器件、柔性电子材料、组织工程材料等方面有广泛的应用前景。

目前，大部分传统的导电水凝胶是由本征导电高分子与其他水凝胶基体复合形成的，但是由于导电高分子本身的刚性链结构，导致其加工性、伸缩性等方面存在缺陷。离子导电水凝胶由高分子组成水凝胶的微结构，而分散在微结构中的电解质溶液实现离子导电特性，因此具有透明、柔性、可拉伸等特性，是常规导电水凝胶的重要补充。

发明内容

为了克服现有技术手段的缺点和不足，本发明提供了一种制备高透明度的离子导电纤维素水凝胶及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种透明的离子导电纤维素水凝胶，其特征在于：以电解质、水或有机相溶液作为凝固浴，通过物理再生的方法制备得到透明的离子导电纤维素水凝胶；利用该方法得到的离子导电纤维素水凝胶的拉伸强度为2.5～6.8MPa；拉伸断裂伸长率为188～234％；在550nm处的透光率为92.8～96.6％；导电率为0.37～2.59S/m；凝固点为-23.1～-32.1℃；该水凝胶在-32℃下仍可以正常工作而不丧失透明性。

第二方面，本发明提供一种制备上述透明的离子导电纤维素水凝胶的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将纤维素均匀分散于烷基氢氧化铵水溶液中，将分散液在-30～-10℃下冷冻至完全冻结，然后在室温下解冻，离心脱泡后得到透明均一的纤维素溶液；所述的烷基氢氧化铵为四甲基氢氧化铵、三乙基甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵、苄基三乙基氢氧化铵中的一种或几种混合物；

2)在步骤1)制备的纤维素溶液加入交联剂，将混合溶液机械搅拌20min后离心脱泡，通过流延法平铺于光滑的玻璃板上，在无风环境下静置两小时使纤维素充分交联，得到纤维素凝胶；

3)将步骤2)制备的纤维素凝胶置于电解质溶液中，在0℃环境下放置的时间为12～24h，使其充分再生，得到离子导电纤维素水凝胶；所述电解质溶液中的电解质为可溶性无机、有机电解质，溶剂为水或能与水互溶的有机溶剂中任一。

作为优选方案，所述步骤1)中纤维素分子量为1.08×10⁵，溶剂为1.88mol/L的烷基氢氧化铵水溶液，所得的纤维素浓度为4～6wt％，冷冻温度为-24℃，冷冻时间为12h。

进一步地，所述步骤2)中交联剂为环氧氯丙烷、戊二醛或缩水甘油醚类中的一种或几种混合物；所述交联剂与纤维素中的单元葡萄糖摩尔比为0.23～0.46。

更进一步地，所述步骤3)中凝固浴的组成部分为电解质、水和有机溶剂；其中，所述电解质为可水溶的无机、有机电解质，浓度根据电解质在溶剂中的溶解度调节，有机溶剂为能与水互溶的有机试剂，有机相的质量浓度为0～70wt％。