[发明专利]一种高含量聚苯胺基导电水凝胶材料及其应用

说明书

本发明公开了一种高含量聚苯胺基导电水凝胶材料及其应用。本发明通过羧甲基纤维素钠为模板介导苯胺单体的原位聚合，获得高浓度聚苯胺的预凝胶分散液。在分散液中引入聚乙烯亚胺、丙烯酰胺单体、交联剂N，N‑亚甲基双丙烯酰和引发剂2，2‑偶氮二(2‑甲基丙基咪)二盐酸盐和电解质磷酸，进行原位氧化聚合实现凝胶化。通过调节组分添加量，最终获得机械性能和电活性协同增强的导电聚苯胺水凝胶复合材料。本发明中高含量的聚苯胺赋予材料优异的电化学活性，作为电极材料，能实现全凝胶态的超级电容器。

技术领域

本发明属于导电水凝胶制备领域，具体涉及一种高含量聚苯胺基导电水凝胶材料及其应用。

背景技术

导电水凝胶作为新兴的功能材料，因具有高度的柔韧性和出色的导电性被广泛应用于柔性超级电容器或柔性传感器中。通过掺杂可控的导电填料(例如导电聚合物、纳米金属颗粒和纳米碳材料)已经实现了导电水凝胶的较高的导电率。其中，具有低成本和出色电容性能的导电聚合物被认为是制备导电水凝胶的极有希望的材料。基于导电聚合物的导电水凝胶通常都是通过从导电聚合物纳米填料悬浮液中凝胶化或在预制的水凝胶中原位聚合导电聚合物来制备的。然而大多数导电水凝胶仍具有较差的机械性能，尤其是在酸性介质中进行原位聚合时，预制的水凝胶基质的机械强度会随着水凝胶变硬或溶胀而大大降低。而利用分子自组装，羧甲基纤维素链上含有大量的活性功能基团，可以调控聚苯胺的原位聚合生成分子链缠结的纳米结构，实现高负载聚苯胺分散体系。

另一方面，为了克服固有的脆性并获得坚韧的导电水凝胶，在水凝胶基质构建物理与化学交联的多种聚合物网络能获得优异的机械性能。其中，具有高效拓扑微观结构和共价交联作用的双网络水凝胶作为导电填料的支架已显示出极高的应用价值。包含物理交联的脆性第一网络和化学交联的第二网络的双网络水凝胶表现出极好的机械性能、极佳的可拉伸性、回弹性和抗疲劳性。因此，利用聚乙烯亚胺作为第一网络，并引入具有链顺应性和可调节交联度的聚丙烯酰胺作为第二网络来调节双网络水凝胶的机械性能。在高负载聚苯胺分散体系加入聚乙烯亚胺和丙烯酰胺的单体，通过第二次原位氧化聚合，实现多重网络的构筑，从而实现用于柔性电子的功能材料。

发明内容

本发明的目的是，针对现有导电水凝胶材料难以同时获得较优异的机械性能和导电性能的问题，提供一种高含量聚苯胺基导电水凝胶材料。

本发明提供以下技术方案实现：

一种高含量聚苯胺基导电水凝胶材料，该材料是以羧甲基纤维素钠、苯胺、丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、磷酸等作为主要原料经过两步原位氧化聚合制得机械性能和电活性协同增强的导电聚合物水凝胶复合材料。

其制备方法是在羧甲基纤维素钠加入溶液中加入苯胺单体、过硫酸铵和浓盐酸，进行第一次原位聚合得到聚苯胺/羧甲基纤维素钠预凝胶分散液；该分散液经过透析后，加入浓磷酸、聚乙烯亚胺、丙烯酰胺、N，N-亚甲基双丙烯酰和2，2-偶氮二(2-甲基丙基咪)二盐酸盐，并转移至模具中进行第二次原位聚合，得到高含量聚苯胺基导电水凝胶材料。

上述技术方案中，在进行第一次原位聚合时，羧甲基纤维素钠为1wt％，苯胺的浓度为0.1～1mol/L，浓盐酸为1mol/L，过硫酸铵与苯胺单体的摩尔比为1∶1，反应温度为0℃，反应温度为12小时。

进一步的，进行第二次原位聚合时，依次添加聚苯胺/羧甲基纤维素钠预凝胶分散液、浓磷酸、聚乙烯亚胺、丙烯酰胺，四者重量比为：1∶1∶0.04∶0.4～1∶1∶0.1∶1；N，N-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为丙烯酰胺的0.06wt％～0.2wt％，2，2-偶氮二(2-甲基丙基咪)二盐酸盐添加量为丙烯酰胺的2.5wt％，模具置于60℃水浴中保温1h形成聚苯胺基导电水凝胶。