CN109912816B - 一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，得到的材料具有良好的导电性能、力学强度及柔性。包括以下步骤：（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为30%～50%的氮丙啶交联剂水溶液；（2）将聚氨酯水性分散液与吡硌单体按重量份混匀后，加入步骤（1）制备的氮丙啶交联剂水溶液并搅拌均匀，得到混合溶液，然后将混合溶液倒入模具中，在40～70℃加热30～120分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；本发明所采用的制备聚吡咯/聚氨酯复合水凝胶材料的方法具有操作简单、成本低廉的优势，使聚吡咯/聚氨酯复合水凝胶材料在柔性储能材料领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及功能高分子材料技术领域，特别是指一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶是一种功能高分子材料，由三维网络结构的高分子和充塞其网链间隙中的水分子介质构成。水凝胶柔软而富有弹性，可在水中溶胀，且能对外界微小的刺激产生显著的应答，具有智能性，故近年来引起了广泛研究。研究主要集中在新型水凝胶的制备及新的水凝胶应用领域。水凝胶应用广泛，可用作药物控制释放材料、组织填充材料、人工软骨、化学阀、调光材料、生物传感器、组织培养等。聚氨酯(PU)具有良好的生物相容性和优良的物理机械性能，对人体具有良好的生理可接受性，并且可以保持长期人体植入的稳定性，通过改变分子链中软硬段的组成可以改变聚氨酯的物理化学性能。由PU聚合物制备所得的PU水凝胶综合了水凝胶和PU两者的优点，引起人们很大的研究兴趣，并已经在生物医学领域中得到良好的应用。
近年来导电水凝胶作为多功能智能水凝胶家族的新成员而倍受关注，导电水凝胶一般由导电材料与水凝胶基体两部分构成且囊括了其双组份各自独特的性能。导电材料通过共聚交联或接枝反应而嵌入到凝胶三维网络中在保持水凝胶优良特性的同时凭借其独特的电子共轭体系所产生的载流子跃迁性能赋予水凝胶电子传输能力，根据其电导率分布范围导电水凝胶有望应用于导电薄膜电传感器电刺激药物释放系统和生物燃料电池等诸多领域，但是 目前大多数导电水凝胶力学强度较弱，黏弹性不足且导电性较差难以满足实际应用的需要。
聚吡咯(polypyrrole,PPy)作为导电聚合物因其易于制备、良好的环境稳定性和较高的导电率被认为是最有商业价值的导电高分子材料之一,在电催化材料、传感器、金属防腐材料、二次电池电极材料、药物释放材料和电控离子交换等诸多领域得到了广泛的研究与应用。导电聚合物的主链是刚性的，链与链间电子体系相互作用较强，使得导电聚合物不溶不熔，难以加工，极大地限制了导电聚合物的实际应用。因此，将导电聚合物制成导电水凝胶,不仅可以解决材料的加工性问題，而且可以兼具凝胶材料良好的机械性能、溶胀性能，由此提高导电聚合物物理、化学性能，近年来引起了人们板大的兴趣。导电聚合物水凝胶结合了常规聚合物水凝胶的机械性质、溶胀性质和导电聚合物独特的物理化学性质，在电化学电容器、微图案电化学装置及传感器等领域得到了初步应用。
由于PPY等聚合物的主链刚性较强，几乎不溶于常用的溶剂，所以通过溶液中交联导电聚合物实现凝胶化的路线很难获得导电聚合物凝胶。因此，一般的导电水凝胶由绝缘的多孔骨架和电化学活性填充材料构成。已有报道中，以聚苯胺为导电高分子为导电剂制备的导电聚合物水凝胶，其绝缘多孔骨架材料有聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、羧甲基纤维素等。但是，这种方法制备的水凝胶导电率不是很高，因为在这些导电复合水凝胶中，导电聚合物是作为分散相存在于基体凝胶的孔道中的，难以形成一个连续的导电性网络。同时，这种两相结构通常会削弱导电复合凝胶的整体力学性能。
氮丙啶交联剂是目前研究得较为成熟和有效的室温交联剂，这类交联剂的交联反应速度快，效果明显，它是由氮丙啶与三官能度或更高官能度的多元醇缩合物缩合而形成的。氮丙啶环在结构上存在较大张力，活性较高，分子存在大量基团，常温下能与羧基、氨基和羟基反应，生成不溶性的网状结构交联产物，可以极大的提高材料的强度。本发明提供一种高力学强度和导电性能的多重网络复合水凝胶材料，它以利用氮丙啶作为交联剂，以聚氨酯水凝胶材料作为第I网络，结合以氮丙啶交联的聚吡咯水凝胶材料作为第II网络，是一种具有多重网络结构的复合水凝胶材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，得到的材料具有良好的导电性能、力学强度及柔性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为30%～50%的氮丙啶交联剂水溶液；
（2）将聚氨酯水性分散液与吡硌单体按重量份混匀后，加入步骤（1）制备的氮丙啶交联剂水溶液并搅拌均匀，得到混合溶液，然后将混合溶液倒入模具中，在40～70℃加热30～120分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；
（3）将步骤（2）得到的聚氨酯水凝胶浸入到三氯化铁的酸性水溶液中，进行反应，控制温度为0～40℃，反应时间为1.0～8.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。
所述步骤（1）中氮丙啶交联剂为三官能团氮丙啶交联剂。
所述步骤（2）中聚氨酯水性分散液与吡硌单体的的重量份依次为75～95份和5～25份，氮丙啶交联剂水溶液的重量份为0.5～5份。
所述步骤（2）中聚氨酯水性分散液为市售阴离子型聚氨酯分散液。
所述步骤（3）中聚氨酯水凝胶和三氯化铁的酸性水溶液的加入重量份依次为10～50份和100～1000份。
所述步骤（3）中三氯化铁的浓度为20～80g/L，酸性水溶液为盐酸、硫酸或者对甲基苯磺酸，酸性水溶液的浓度为0.5～2mol/L。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明首先使用氮丙啶作为交联剂，制备含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶（第一网络），再将凝胶网络中的吡咯单体进行聚合，得到聚氨酯网络与导电聚吡咯网络（第二网络）相互贯穿的的水凝胶。
2. 本发明所使用的三官能团氮丙啶在结构上存在较大张力，活性较高，分子存在大量基团，常温下能与羧基、氨基和羟基反应，生成不溶性的网状结构交联产物，可以极大的提高材料的强度。本发明充分利用氮丙啶分子不仅可以与聚吡咯分子发生反应，而且可以和聚氨酯分子发生反应的特点，氮丙啶交联剂诱导吡咯单体在水凝胶中的吸附，并原位氧化聚合，以其作为凝胶交联因子，形成聚吡咯水凝胶分子与聚氨酯分子互相穿插，聚吡咯水凝胶聚集体均匀地分布在聚氨酯水凝胶网络中，提高了导电水凝胶的导电性能和力学强度。同时，聚氨酯水凝胶骨架的优异性能，保证了聚吡咯/聚氨酯复合水凝胶材料良好的柔性，水凝胶的第三重网络是由聚氨酯、氮丙啶交联剂与铁金属离子络合而成，使水凝胶的导电性能及强度大大提高。
3. 本发明所采用的制备聚吡咯/聚氨酯复合水凝胶材料的方法具有操作简单、成本低廉的优势，使聚吡咯/聚氨酯复合水凝胶材料在柔性储能材料领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为30%的水溶液；
（2）将95克聚氨酯水性分散液与5克吡硌单体混合均匀，加入0.5克的浓度为30%聚氮丙啶交联剂水溶液搅拌均匀，得到混合溶液；然后将混合溶液倒入模具中，在70℃加热120分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；
（3）将10克含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶浸入到100克三氯化铁的盐酸水溶液进行反应，控制温度0℃，反应时间为8.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。其中三氯化铁的浓度为20g/L，盐酸水溶液的浓度为0.5mol/L。此复合水凝胶拉伸强度为6.9 Mpa，电导率为0.03 S/m。
实施例2
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为50%的水溶液；
（2）将75克聚氨酯水性分散液与25克吡硌单体混合均匀，加入5克的浓度为50%聚氮丙啶交联剂水溶液搅拌均匀，得到混合溶液；然后将混合溶液倒入模具中，在40℃加热30分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；
（3）将50克含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶浸入到1000克三氯化铁的盐酸水溶液进行反应，控制温度40℃，反应时间为1.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。其中三氯化铁的浓度为80g/L，盐酸水溶液的浓度为2mol/L。此复合水凝胶拉伸强度为5.7 Mpa，电导率为0.65 S/m。
实施例3
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为40%的水溶液；
（2）将80克聚氨酯水性分散液与20克吡硌单体混合均匀，加入1.5克的浓度为40%聚氮丙啶交联剂水溶液搅拌均匀，得到混合溶液；然后将混合溶液倒入模具中，在50℃加热100分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶。
（3）将20克含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶浸入到300克三氯化铁的硫酸水溶液进行反应，控制温度10℃，反应时间为6.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。其中三氯化铁的浓度为50g/L，硫酸水溶液的浓度为1mol/L。此复合水凝胶拉伸强度为4.2 Mpa，电导率为0.43 S/m。
实施例4
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为45%的水溶液；
（2）将85克聚氨酯水性分散液与15克吡硌单体混合均匀，加入2克的浓度为45%聚氮丙啶交联剂水溶液搅拌均匀，得到混合溶液；然后将混合溶液倒入模具中，在55℃加热95分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；
（3）将40克含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶浸入到800克三氯化铁的硫酸水溶液进行反应，控制温度20℃，反应时间为3.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。其中三氯化铁的浓度为40g/L，硫酸水溶液的浓度为1.2mol/L。此复合水凝胶拉伸强度为8.8 Mpa，电导率为0.93 S/m。
实施例5
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为35%的水溶液；
（2）将88克聚氨酯水性分散液与12克吡硌单体混合均匀，加入1.8克的浓度为40%聚氮丙啶交联剂水溶液搅拌均匀，得到混合溶液；然后将混合溶液倒入模具中，在55℃加热95分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；
（3）将60克含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶浸入到800克三氯化铁的对甲苯磺酸水溶液进行反应，控制温度30℃，反应时间为2.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。其中三氯化铁的浓度为30g/L，对甲苯磺酸水溶液的浓度为1.2mol/L。此复合水凝胶拉伸强度为5.3 Mpa，电导率为0.75 S/m。
实施例6
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为45%的水溶液；
（2）将77克聚氨酯水性分散液与22克吡硌单体混合均匀，加入2.5克的浓度为40%聚氮丙啶交联剂水溶液搅拌均匀，得到混合溶液；然后将混合溶液倒入模具中，在45℃加热85分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；
（3）将30克含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶浸入到600克三氯化铁的对甲苯磺酸水溶液进行反应，控制温度25℃，反应时间为4.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。其中三氯化铁的浓度为35g/L，对甲苯磺酸水溶液的浓度为1.0mol/L。此复合水凝胶拉伸强度为3.8Mpa，电导率为0.84 S/m。
实施例7
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为50%的水溶液；
（2）将90克聚氨酯水性分散液与10克吡硌单体混合均匀，加入0.5克的浓度为50%聚氮丙啶交联剂水溶液搅拌均匀，得到混合溶液；然后将混合溶液倒入模具中，在70℃加热110分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；
（3）将10克含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶浸入到100克三氯化铁的盐酸水溶液进行反应，控制温度5℃，反应时间为6.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。其中三氯化铁的浓度为40g/L，盐酸水溶液的浓度为0.8mol/L。此复合水凝胶拉伸强度为4.3Mpa，电导率为0.09 S/m。
实施例8
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为46%的水溶液；
（2）将83克聚氨酯水性分散液与17克吡硌单体混合均匀，加入1.5克的浓度为4%聚氮丙啶交联剂水溶液搅拌均匀，得到混合溶液；然后将混合溶液倒入模具中，在50℃加热100分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶。
（3）将30克含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶浸入到600克三氯化铁的硫酸水溶液进行反应，控制温度10℃，反应时间为6.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。其中三氯化铁的浓度为45g/L，硫酸水溶液的浓度为2mol/L。此复合水凝胶拉伸强度为5.2 Mpa，电导率为0.3 S/m。
实施例9
一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为45%的水溶液；
（2）将85克聚氨酯水性分散液与15克吡硌单体混合均匀，加入2.5克的浓度为45%聚氮丙啶交联剂水溶液搅拌均匀，得到混合溶液；然后将混合溶液倒入模具中，在45℃加热85分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；
（3）将30克含有吡咯单体的聚氨酯水凝胶浸入到550克三氯化铁的对甲苯磺酸水溶液进行反应，控制温度25℃，反应时间为4.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶。其中三氯化铁的浓度为35g/L，对甲苯磺酸水溶液的浓度为1.0mol/L。此复合水凝胶拉伸强度为4.5Mpa，电导率为0.33S/m。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将氮丙啶交联剂用蒸馏水稀释成质量百分浓度为30%～50%的氮丙啶交联剂水溶液；
（2）将聚氨酯水性分散液与吡硌单体按重量份混匀后，加入步骤（1）制备的氮丙啶交联剂水溶液并搅拌均匀，得到混合溶液，然后将混合溶液倒入模具中，在40～70℃加热30～120分钟得到含有吡硌单体的聚氨酯水凝胶；
（3）将步骤（2）得到的聚氨酯水凝胶浸入到三氯化铁的酸性水溶液中，进行反应，控制温度为0～40℃，反应时间为1.0～8.0小时，得到聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶；
所述步骤（1）中氮丙啶交联剂为三官能团氮丙啶交联剂。
2.根据权利要求1所述的聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中聚氨酯水性分散液与吡硌单体的的重量份依次为75～95份和5～25份，氮丙啶交联剂水溶液的重量份为0.5～5份。
3.根据权利要求1所述的聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中聚氨酯水性分散液为市售阴离子型聚氨酯分散液。
4.根据权利要求1所述的聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中聚氨酯水凝胶和三氯化铁的酸性水溶液的加入重量份依次为10～50份和100～1000份。
5.根据权利要求1所述的聚吡咯/聚氨酯复合导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中三氯化铁的浓度为20～80g/L，酸性水溶液为盐酸、硫酸或者对甲基苯磺酸，酸性水溶液的浓度为0.5～2mol/L。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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