CN107652676B - 一种提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导电聚合物水凝胶的技术领域，公开了一种提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法。方法：(1)将多巴胺溶于三羟甲基氨基甲烷溶液中，得到多巴胺溶液；所述三羟甲基氨基甲烷溶液是将三羟甲基氨基甲烷溶于水中得到；所述三羟甲基氨基甲烷溶液的pH为7～9.5；(2)将基体材料置于多巴胺溶液中，浸泡，清洗，得到处理的基体材料；(3)在一定温度下，将交联剂和引发剂的混合溶液与导电单体溶液进行混合，得到共混物；将共混物涂覆于处理的基体材料上，除杂，得到导电聚合物水凝胶与基体材料的复合材料。本发明的方法简单，提高了导电聚合物与基体材料间粘附力，具有耐水性。

Description

一种提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法
技术领域
本发明属于导电聚合物水凝胶的技术领域，涉及一种提高导电聚合物水凝胶粘附能力的方法，具体涉及一种利用多巴胺在基体上自聚合，以提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法。
背景技术
导电聚合物水凝胶是指一种以导电聚合物为主链并被水溶胀，具有三维网状结构的交联聚合物。其综合了导电聚合物和水凝胶的优点，因而具有导电率高、含水量多、孔隙率高，生物相容性好、分层互连微/纳米结构、离子和分子的渗透性好等优点。此外，导电聚合物水凝胶具有优异的可加工性，通过溶液加工可形成纳米结构膜及微图案化结构。因而，导电聚合物水凝胶在能源设备、生物传感器、医用电极等领域具有广泛地潜在应用。
目前，国内外众多科研工作者已经在导电聚合物水凝胶的应用上取得了斐然的成绩。南京大学余桂华课题组在期刊NANO LETTERS上发表的《Dopant-EnabledSupramolecular Approach for Controlled Synthesis of Nanostructured ConductivePolymer Hydrogels》文章(Nano Lett.2015,15,7736-7741)介绍了将导电聚合物水凝胶应用于超级电容器上，其具有高达400F·g-1的比电容。中国科学技术大学徐航勋课题组在期刊ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS上发表的《Novel Iron/Cobalt-ContainingPolypyrrole Hydrogel-Derived Trifunctional Electrocatalyst for Self-PoweredOverall Water Splitting》文章(Adv.Funct.Mater.2017,27,1606497)介绍了将导电聚合物水凝胶应用于水的电分解上，其氢气的产生速率高达280umol/h。首都师范大学马占芳课题组在期刊SCIENTIFIC REPORTS上发表的《Network nanostructured polypyrrolehydrogel/Au composites as enhanced electrochemical biosensing platform》文章(Scientific RepoRts|5:11440)介绍了将导电聚合物水凝胶应用于肿瘤免疫传感器上，其检测范围宽达1fg mL-1～200ng mL-1。
然而，导电聚合物水凝胶在各种基材(如导电玻璃)上的粘附力较差，其浸泡于水溶液中时，其容易和基体材料分离。该问题限制了导电聚合物水凝胶的基材选择范围，使得其应用受阻。
本发明通过多巴胺提高了导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力，该方法不仅具有性能稳定、成本低、操作简单等优点，而且适用于各种形状复杂的基体材料，易于推广使用。
发明内容
本发明的目的在于解决导电聚合物水凝胶容易从基体材料上脱离的问题，通过优化三羟甲基氨基甲烷溶液的pH、多巴胺浓度及基体材料浸泡时间，从而提供一种稳定提高导电聚合物水凝胶与基体材料之间粘附力的方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，包括以下步骤：
(1)将多巴胺溶于三羟甲基氨基甲烷溶液中，得到多巴胺溶液；所述三羟甲基氨基甲烷溶液是将三羟甲基氨基甲烷溶于水中得到；所述三羟甲基氨基甲烷溶液的pH为7～9.5；
(2)将基体材料置于多巴胺溶液中，浸泡，清洗，得到处理的基体材料；
(3)在一定温度下，将交联剂和引发剂的混合溶液与导电单体溶液进行混合，得到共混物；将共混物涂覆于处理的基体材料上，除杂，得到导电聚合物水凝胶与基体材料的复合材料。
步骤(1)中所述三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度为0.001M～0.05M；
步骤(1)中所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为0.5g/L～4.0g/L。
步骤(2)中所述浸泡时间为5～24h，步骤(2)中所述清洗是指用去离子水清洗；
步骤(2)中所述基体材料需进行预处理，是将基体材料依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声处理；
步骤(2)中所述基体材料为导电玻璃、碳布、碳纸等。
步骤(3)中所述交联剂和引发剂的混合溶液是将交联剂和引发剂溶于水中得到。
所述交联剂和引发剂的混合溶液中交联剂的浓度为0.008～0.03mmol/L，引发剂的浓度为0.3～2.4mmol/L。
所述交联剂优选为铜酞菁，所述引发剂优选为过硫酸铵。
步骤(3)中所述导电单体溶液是将导电单体溶于有机溶剂中得到。
所述导电单体溶液的浓度为0.3～2.4mmol/L。
所述导电单体优选为吡咯、噻吩、苯胺中一种或两种以上。
所述有机溶剂为异丙醇。
步骤(3)中所述温度为0～15℃。
步骤(3)中所述除杂是指将共混物快速涂覆于基体材料上，待聚合完成后，依次浸泡于乙醇和去离子水中去除杂质。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的方法简单，易于操作，提高了导电水凝胶与基体材料之间粘附力；
(2)通过本发明的方法，将复合材料浸泡于水溶液中时，本体导电水凝胶与基体材料之间结合良好，不发生分离。
总之，本发明的方法，解决了基体材料与本体导电水凝胶浸泡于水溶液中，容易分离的问题。该方法在导电薄膜，涂层，电化促动器，传感器等方面具有潜在应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，包括以下步骤：
(1)将2.2×2.2cm的导电玻璃依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声处理20min；
(2)将多巴胺溶于三羟甲基氨基甲烷溶液中，得到多巴胺溶液；所述三羟甲基氨基甲烷溶液是将三羟甲基氨基甲烷溶于水中得到；所述三羟甲基氨基甲烷溶液的pH为7，浓度为0.001mol/L；所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为0.5g/L；
(3)将步骤(1)中导电玻璃置于多巴胺溶液中，浸泡12h，去离子水清洗3次，导电玻璃上形成聚多巴胺膜，得到处理的基体材料；
(4)在0℃下，将铜酞菁交联剂和过硫酸铵引发剂的混合溶液与导电单体溶液进行混合，得到共混物；将共混物涂覆于处理的基体材料上，除杂，得到导电聚合物水凝胶与基体材料的复合材料；所述交联剂和引发剂的混合溶液是将交联剂和引发剂溶于水中得到，所述交联剂和引发剂的混合溶液中交联剂的浓度为0.008mmol/L，引发剂的浓度为0.3mmol/L；所述导电单体溶液是将导电单体吡咯溶于异丙醇中得到，所述导电单体溶液中吡咯浓度为0.3mmol/L。
所制备的复合材料浸泡于水中2h未见剥离现象，超声20min后开始出现剥离现象；未经多巴胺处理过的导电玻璃与导电聚合物水凝胶复合的材料，在水中浸泡5min，有剥离。
实施例2
一种提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，包括以下步骤：
(1)将2.2×2.2cm的导电玻璃依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声处理20min；
(2)将多巴胺溶于三羟甲基氨基甲烷溶液中，得到多巴胺溶液；所述三羟甲基氨基甲烷溶液是将三羟甲基氨基甲烷溶于水中得到；所述三羟甲基氨基甲烷溶液的pH为8，浓度为0.02mol/L；所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为2g/L；
(3)将步骤(1)中导电玻璃置于多巴胺溶液中，浸泡12h，去离子水清洗3次，导电玻璃上形成聚多巴胺膜，得到处理的基体材料；
(4)在0℃下，将铜酞菁交联剂和过硫酸铵引发剂的混合溶液与导电单体溶液进行混合，得到共混物；将共混物涂覆于处理的基体材料上，除杂，得到导电聚合物水凝胶与基体材料的复合材料；所述交联剂和引发剂的混合溶液是将交联剂和引发剂溶于水中得到，所述交联剂和引发剂的混合溶液中交联剂的浓度为0.01mmol/L，引发剂的浓度为2.4mmol/L；所述导电单体溶液是将导电单体吡咯溶于异丙醇中得到，所述导电单体溶液中吡咯浓度为2.4mmol/L。
所制备的复合材料浸泡于水中2h未见剥离现象，超声12min后开始出现剥离现象。
实施例3
一种提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，包括以下步骤：
(1)将2.2×2.2cm的导电玻璃依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声处理20min；
(2)将多巴胺溶于三羟甲基氨基甲烷溶液中，得到多巴胺溶液；所述三羟甲基氨基甲烷溶液是将三羟甲基氨基甲烷溶于水中得到；所述三羟甲基氨基甲烷溶液的pH为8.5，浓度为0.03mol/L；所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为3g/L；
(3)将步骤(1)中导电玻璃置于多巴胺溶液中，浸泡12h，去离子水清洗3次，导电玻璃上形成聚多巴胺膜，得到处理的基体材料；
(4)在15℃下，将铜酞菁交联剂和过硫酸铵引发剂的混合溶液与导电单体苯胺溶液进行混合，得到共混物；将共混物涂覆于处理的基体材料上，除杂，得到导电聚合物水凝胶与基体材料的复合材料；所述交联剂和引发剂的混合溶液是将交联剂和引发剂溶于水中得到，所述交联剂和引发剂的混合溶液中交联剂的浓度为0.02mmol/L，引发剂的浓度为0.3mmol/L；所述导电单体溶液是将导电单体苯胺溶于异丙醇中得到，所述导电单体溶液中苯胺浓度为0.3mmol/L。
所制备的复合材料浸泡于水中2h未见剥离现象，超声5min后开始出现剥离现象。
实施例4
一种提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，包括以下步骤：
(1)将2.2×2.2cm的导电玻璃依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声处理20min；
(2)将多巴胺溶于三羟甲基氨基甲烷溶液中，得到多巴胺溶液；所述三羟甲基氨基甲烷溶液是将三羟甲基氨基甲烷溶于水中得到；所述三羟甲基氨基甲烷溶液的pH为9.5，浓度为0.05mol/L；所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为4g/L；
(3)将步骤(1)中导电玻璃置于多巴胺溶液中，浸泡12h，去离子水清洗3次，导电玻璃上形成聚多巴胺膜，得到处理的基体材料；
(4)在15℃下，将铜酞菁交联剂和过硫酸铵引发剂的混合溶液与导电单体溶液进行混合，得到共混物；将共混物涂覆于处理的基体材料上，除杂，得到导电聚合物水凝胶与基体材料的复合材料；所述交联剂和引发剂的混合溶液是将交联剂和引发剂溶于水中得到，所述交联剂和引发剂的混合溶液中交联剂的浓度为0.03mmol/L，引发剂的浓度为2.4mmol/L；所述导电单体溶液是将导电单体苯胺溶于异丙醇中得到，所述导电单体溶液中苯胺浓度为2.4mmol/L。
所制备的复合材料浸泡于水中2h未见剥离现象，超声1min后开始出现剥离现象。

Claims (7)

1.一种提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将多巴胺溶于三羟甲基氨基甲烷溶液中，得到多巴胺溶液；所述三羟甲基氨基甲烷溶液是将三羟甲基氨基甲烷溶于水中得到；
（2）将基体材料置于多巴胺溶液中，浸泡，清洗，得到处理的基体材料；
（3）在一定温度下，将交联剂和引发剂的混合溶液与导电单体溶液进行混合，得到共混物；将共混物涂覆于处理的基体材料上，除杂，得到导电聚合物水凝胶与基体材料的复合材料；
步骤（1）所述三羟甲基氨基甲烷溶液的pH 为7、浓度为0.001 mol/L，步骤（1）所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为0.5g/L，步骤（3）中所述温度为0℃，所述交联剂和引发剂的混合溶液中，交联剂的浓度为0.008 mmol/L，引发剂的浓度为0.3 mmol/L，所述导电单体溶液的浓度为0.3 mmol/L，所述交联剂为铜酞菁；
或者是：步骤（1）所述三羟甲基氨基甲烷溶液的pH 为8、浓度为0.02 mol/L，步骤（1）所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为2.0g/L，步骤（3）中所述温度为0℃，所述交联剂和引发剂的混合溶液中，交联剂的浓度为0.01 mmol/L，引发剂的浓度为2.4 mmol/L，所述导电单体溶液的浓度为2.4 mmol/L，所述交联剂为铜酞菁。
2.根据权利要求1 所述提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，其特征在于：步骤（2）中所述浸泡时间为5~24h。
3.根据权利要求1 所述提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，其特征在于：步骤（3）中所述交联剂和引发剂的混合溶液是将交联剂和引发剂溶于水中得到；
步骤（3）中所述导电单体溶液是将导电单体溶于有机溶剂中得到。
4.根据权利要求3所述提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵；
所述导电单体为吡咯、噻吩、苯胺中一种或两种以上；
所述有机溶剂为异丙醇。
5.根据权利要求1 所述提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，其特征在于：步骤（2）中所述基体材料需进行预处理，是将基体材料依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声处理。
6.根据权利要求1 所述提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，其特征在于：步骤（2）中所述清洗是指用去离子水清洗；
步骤（2）中所述基体材料为导电玻璃、碳布或碳纸。
7.根据权利要求1 所述提高导电聚合物水凝胶在基体材料上粘附能力的方法，其特征在于：步骤（3）中所述除杂是指将共混物快速涂覆于基体材料上，待聚合完成后，依次浸泡于乙醇和去离子水中去除杂质。
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