[发明专利]一种兼具高强度、高敏感的拉力响应性导电水凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及高分子功能及导电材料领域，具体涉及一种兼具高强度、高敏感的拉力响应性导电水凝胶的制备方法；原料包括聚乙烯醇、硼酸溶液、氧化石墨烯、六水合氯化铁、琼脂等；本发明制备方法利用循环冻融的物理手段，快速提升了水凝胶的机械性能；设计浸泡策略，有效的提升了机械性能与电性能；聚乙烯醇和硼脂键之间的动态交联作用以及氧化石墨烯与三价铁离子之间的离子键产生了拉力响应性这一特性；本发明水凝胶的制备方法十分简易，具有拉力响应的特性、超高机械性能与优异电性能，在可穿戴式传感设备与软机器人领域有着较大的应用前景。

技术领域

本发明涉及高分子功能及导电材料领域，具体涉及一种兼具高强度、高敏感的拉力响应性导电水凝胶的制备方法。

背景技术

导电水凝胶常应用于应变传感器、生物医学、柔性可穿戴电子设备、软机器人等领域，主要是由于其能较好的克服导电聚合物共轭体系所产生的刚性和合成材料的绿色无害使得水凝胶成了为一种含水量极高且富有弹性的生物相容性材料。

目前在导电性能的提升上常用的是向水凝胶中引入碳纳米材料、液态金属、无机离子、导电聚合物等导电材料或者在水凝胶表面附加导电层。然而通常情况下通过盐浸泡和聚电解质诱导的水凝胶会出现导电率低，敏感因子小的缺点。采用碳纳米材料又会因为刚性粒子的引入而使拉伸应变下降。难以实现机械性能与电性能的兼顾。

目前以PVA为弹性基底，纳米复合材料进行填充的体系已经能够拥有较好的拉伸应变与导电性，但在实际场景的应用当中，例如肌腱、肌肉、骨骼的模拟，通常要求较高的杨氏模量与较强的机械性能。针对这个需求，目前通过各种途径对力学性能进行了提升，尝试向水凝胶中导入多种动态网络，例如氢键、有机聚合物、无机离子等交联作用使得水凝胶在做功的过程中有着更多的能量“牺牲域”和能量散耗机制以及动态网络的修复和响应，但常常会导致水凝胶含水量显著下降，以及在追求力学性能的过程中牺牲了水凝胶的导电性。因此，开发一种兼顾机械性能与电性能且能够长时间维持稳定的水凝胶是十分必要的。

发明内容

本发明为解决现有水凝胶难以长时间接受高强度拉伸且本身机械性能与电性能无法同时兼顾的问题，提供一种兼具高强度、高敏感的拉力响应性导电水凝胶的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种兼具高强度、高敏感的拉力响应性导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤1）首先将氧化石墨烯超声溶解于去离子水中，超声至充分溶解形成氧化石墨烯溶液；

步骤2）称取六水合氯化铁溶解在去离子水，然后与聚乙烯醇和步骤1）中的氧化石墨烯溶液混合在一起，在氮气气氛中匀速搅拌，保持温度为95℃，持续两小时；

步骤3）向步骤2）混合溶液中加入琼脂，保持温度不变搅拌0.5小时；

步骤4）配制BB溶液，加入步骤3）中的混合液中继续反应1小时；

步骤5）将反应完成的溶液，倒在培养皿中于80℃下静置1小时以排除气泡；

步骤6）将溶液进行5次冷冻/冻融循环，得到PVA-BB/GO-Fe³⁺/agar水凝胶；

步骤7）将步骤6）PVA-BB/GO-Fe³⁺/agar水凝胶浸泡在氯化钾溶液中0-10小时。

PVA-BB/GO-Fe³⁺/agar水凝胶中文全称为为聚乙烯醇-硼酸溶液/氧化石墨烯-三价铁离子/琼脂水凝胶。

本发明的优点在于：1）利用循环冻融的物理手段，快速提升了水凝胶的机械性能;2）设计浸泡策略，有效的提升了机械性能与电性能;3）聚乙烯醇和硼脂键之间的动态交联作用以及氧化石墨烯与三价铁离子之间的离子键产生了拉力响应性这一特性。该种水凝胶的制备方法十分简易，具有拉力响应的特性、超高机械性能与优异电性能。

进一步的，步骤1）中氧化石墨烯溶液的质量浓度为0.4%。