[发明专利]一种芳纶纳米纤维导电水凝胶及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种芳纶纳米纤维导电水凝胶及制备方法和应用，属于导电水凝胶技术领域，通过将均匀混合导电物质的芳纶纳米纤维溶液静置在盛有挥发性质子化溶剂的密闭容器中，再经溶剂交换即可制备得到芳纶纳米纤维导电水凝胶，能够简单、快速、高效地实现水凝胶的导电性能。本发明制备过程简单，生物相容性良好，适用于大规模工业化应用。此外，通过高压均质处理，实现了导电物质在芳纶纳米纤维溶液中的均匀分散，避免了传统方法中导电填充物混合不均匀的问题，具有极强的使用价值。

技术领域

本发明涉及导电水凝胶技术领域，具体涉及一种芳纶纳米纤维导电水凝胶及制备方法和应用。

背景技术

水凝胶是一种由亲水性聚合物链在水中交联得到的具有三维网络结构的高分子聚合物，在水中能保持一定形状但不被水溶解，表现出优异的吸水保水性和凝胶稳定性，可以作为功能软材料的良好基质、载体或骨架。以水凝胶为基底，通过添加导电材料可以得到导电水凝胶。与传统的水凝胶相比，导电水凝胶协同了水凝胶材料和导电材料两者的特性，在具有良好生物相容性的同时又具有独特的导电性，使其成为组织工程、柔性可穿戴电子设备、植入电极、生物传感器等领域的潜在候选材料。

碳基纳米材料，如碳纳米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)、碳纤维等，因其电导率高、环境稳定性和生物相容性好等独特性能，被认为是极具发展前景的导电材料。通过将具备高导电性能的纳米颗粒引入到水凝胶中，形成渗透粒子网络，能够有效提高水凝胶的导电性能和力学性能。

在目前的研究中，尽管有大量的导电水凝胶用于智能机械材料，但是制备高导电性能和优异力学性能的导电水凝胶仍然是一项重大的技术挑战。导电粒子在水凝胶中的不均匀分布严重影响了其导电性能和力学性能。且大多数导电水凝胶在制备过程中需要引入交联剂、引发剂、掺杂剂等物质，制备过程复杂，生物相容性较差，限制了其在生物医学等领域的应用。

对位芳纶纳米纤维(Aramid Nanofibers,ANFs)具有独特的纳米尺度结构、大的长径比和比表面积，同时又保留了芳纶纤维优异的力学性能、良好的热稳定性和化学稳定性。因此，ANFs及其水凝胶在材料科学、工程、化学和聚合物科学等各个领域受到了广泛的关注。ANFs水凝胶可以通过溶剂交换来获得，形成的水凝胶具有良好的力学性能。然而，现有的制备过程工艺复杂且耗时。为了进一步扩大ANFs水凝胶的应用范围，迫切需要一种简便的制备芳纶纳米纤维导电水凝胶的方法。

故，目前需要解决导电填充物混合不均匀及现有的导电水凝胶制备过程复杂的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决导电填充物混合不均匀及现有的导电水凝胶制备过程复杂的问题，提供了一种芳纶纳米纤维导电水凝胶及制备方法和应用，操作简单、导电性能优异、生物相容性好，在电子皮肤、生物传感器、超级电容器、柔性穿戴电子设备等诸多领域具有广阔的应用前景。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种芳纶纳米纤维导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将对位芳纶纤维在DMSO/KOH/H₂O体系中混合得到芳纶纳米纤维溶液；

步骤二：将步骤一中得到的芳纶纳米纤维溶液与导电材料超声搅拌后高压均质得到混合液；

步骤三：将步骤二中得到的混合液倒入模具后，将模具放入盛有质子化溶剂的密闭容器中静置，得到初始水凝胶；

步骤四：将步骤三中得到的初始水凝胶放入去离子水中进行溶剂交换得到芳纶纳米纤维导电水凝胶。

进一步地，步骤一中所述芳纶纳米纤维溶液的浓度为0.5～10mg/mL。

进一步地，步骤二中所述芳纶纳米纤维溶液与导电材料的质量比为(50～80):(50～20)，所述导电材料采用碳纳米管、石墨烯、MXene、碳纤维、金属及其氧化物纳米颗粒中的一种或多种混合。