CN110724288A - 一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法 - Google Patents

一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，包括以下步骤：1)按照以下质量百分比称取原料聚丙烯酰胺粉末、氯化钠粉末、水；2)将所述氯化钠粉末溶于水后得到氯化钠溶液，加入聚丙烯酰胺粉末，搅拌直至成凝胶状的柔性凝胶；3)将步骤2)中的柔性凝胶常温静置，然后把柔性凝胶拉伸至完全透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。该制备方法具有效率高、制备成本低、环保安全、稳定性好和制备得到的柔性电极膜导电率高等优点。

Description

一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，属于柔性电极膜领域。
背景技术
在现有的柔性电极制作技术中，主要采用性能良好的碳脂作为柔性电极，该电极呈黑色。如何研制具有类似其性能的透明电极，是目前研究者们急需解决的问题，以拓展柔性电极的应用。CN103345963A号中国专利文献公开了一种石墨烯复合材料透明电极及其制备方法和应用，该方法先将石墨烯转移到柔性透明基板上，再在石墨烯表面涂布导电高分子材料，或者，先将导电高分子材料涂布到柔性透明基板表面，再将石墨烯转移到柔性透明基板上的导电高分子层上，从而制成石墨烯复合材料透明电极。
也有采用基于碳纳米管薄膜的导电层，主要由碳纳米管交织的网络组成，同样存在不完全透明等问题。例如102073428A号中国专利文献公开了一种基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，包括设置于一基体表面上的透明导电层，该透明导电层包括至少一层碳纳米管薄膜。
此外，现有技术中也有采用聚丙烯酰胺制备柔性电极的应用，虽然起到了透明的效果，但稳定性不高，未见给出详细的具体制作工艺，应用设备的利用效率低。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，优化了透明柔性水凝胶电极的成分和配方，并在工艺操作上作了巧妙的改进，这不仅可以让溶剂充分溶解，而且使得电极综合性能提高；该方法制作工艺简便、成本低、能耗少且环保安全，得到有高度导电率的透明柔性水凝胶电极膜，克服了现有技术的不足。
技术方案：本发明提供了一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)按照以下质量百分比称取原料：
聚丙烯酰胺粉末 2％～20％
氯化钠粉末 0.5％～20％
水 60％～95％；
2)将氯化钠粉末溶于水后得到氯化钠溶液，加入聚丙烯酰胺粉末，搅拌直至成凝胶状的柔性凝胶；
3)将步骤2)中的柔性凝胶常温静置，然后把柔性凝胶拉伸至完全透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
其中：
该方法还可以是以下步骤：
1)按照以下质量百分比称取原料：
Figure BDA0002274929640000021
2)将氯化钠粉末溶于水后，倒入硅油得到混合溶液，向混合溶液中加入聚丙烯酰胺粉末，搅拌混合液直至成凝胶状的柔性凝胶；
3)将步骤2)中的柔性凝胶常温静置，然后把柔性凝胶拉伸至完全透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
该方法还可以是以下步骤：
1)按照以下质量百分比称取原料：
Figure BDA0002274929640000022
2)将氯化钠粉末溶于水后，倒入硅油得到混合溶液，向混合溶液中加入聚丙烯酰胺粉末，最后加入5wt％的氯化钠溶液，搅拌混合液直至成凝胶状的柔性凝胶；
3)将步骤2)中的柔性凝胶常温静置，然后把柔性凝胶拉伸至完全透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
该方法还可以是以下步骤：
1)按照以下质量百分比称取原料：
Figure BDA0002274929640000023
2)将所述氯化钠粉末溶于水后得到氯化钠溶液，加入聚丙烯酰胺粉末，最后加入5wt％的氯化钠溶液，搅拌混合液直至成凝胶状的柔性凝胶；
3)将步骤2)中的柔性凝胶常温静置，然后把柔性凝胶拉伸至完全透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
步骤3)中所述的将步骤2)中的柔性凝胶常温静置中，静置的时长为5min～120min，这既是本发明的一个优选控制工艺参数，也是本发明制备方法的一个明显优势，因为较短的制备时间大大提高了本发明制备方法的效率。
所述氯化钠粉末的用量为聚丙烯酰胺粉末质量的25％～100％。
所述的制备方法中，硅油作为湿度调节剂，以保持柔性透明电极的持久耐用性。
所述的制备方法中，5wt％的氯化钠溶液的加入，比氯化钠粉末更有利于聚丙烯酰胺粉末的溶解，而且增加溶液中离子的含量，进而增加溶液的电极量。
所述的制备方法把柔性凝胶拉伸至透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜中，拉伸方法是用手拉伸，也可以戴着PVC透明无粉手套更容易拉伸。
将上述基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜覆盖在介电弹性体(DE)膜上，最后使用3kV电压进行导电驱动，得到该电极的变形效果。
有益效果：与现有技术相比，本发明技术优化了透明柔性水凝胶电极的成分和配方，并在工艺操作上作了巧妙的改进，这不仅可以让溶剂充分溶解，而且使得电极综合性能提高；该方法制作工艺简便、成本低、能耗少且环保安全：
首先，本发明的制备时间很短，在一定组分的配比条件下，水凝胶电极可以即时使用，这大大提高了透明柔性电极膜的制备效率和生产效益；
其次，本发明制定的柔性电极不仅在拉伸的条件下完全透明，而且放置2周以上依然可用，粘弹性保持良好，稳定性能高，改进了以往电极不完全透明的现状，改善了已往水凝胶电极静置若干小时即失效的现象；
再次，本发明制备方法的整个过程中不产生有害物质，环保安全；
最后，本发明的制备方法设备投资少且利用效率高，有利于产业化生产和应用。
具体实施方式
本发明提供了一种具有高度导电率的透明柔性水凝胶电极的制备方法，本发明的技术方案优化了透明柔性水凝胶电极的成分和配方，并在工艺操作上作了巧妙的改进，这不仅可以让溶剂充分溶解，而且使得电极综合性能提高。下面结合实施例进行具体说明。
实施例1
一种本发明的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性透明电极膜的制备方法，包括以下步骤：
1)准备以下质量的各原料组分：
Figure BDA0002274929640000041
2)将上述25g 5wt％的氯化钠溶液溶于150g水后得到混合液，再加入3g氯化钠粉末，然后加入4g硅油，用玻璃棒搅拌该混合液，使成分混合，最后加入10g聚丙烯酰胺粉末，不断搅拌该混合液10min，直至充分混合得到水凝胶形态的柔性凝胶；
3)将柔性凝胶静置30min，然后把柔性凝胶拉伸至透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
变形效果测试：将上述方法制备的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜覆盖在介电弹性体VHB的表面上，可以看出该电极膜的可拉伸率是介电弹性体VHB材料的数倍；通入3kV的电压，结果显示该透明柔性电极的驱动效果与传统的碳脂电极类似，另外，该水凝胶透明度较好。
实施例2
一种本发明的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性透明电极膜的制备方法，包括以下步骤：
1)准备以下质量的各原料组分：
聚丙烯酰胺粉末 8g
氯化钠粉末 3g
水 140g；
2)将上述8g聚丙烯酰胺粉末溶于140g水后，加入3g氯化钠粉末，用玻璃棒不断搅拌5min，直至充分混合得到水凝胶形态的柔性凝胶；
3)将柔性凝胶静置5min，然后把柔性凝胶拉伸至透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
变形效果测试：将上述方法制备的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜涂覆在介电弹性体的表面上，并通入3kV的电压，结果可以看出介电弹性体膜上覆有水凝胶膜的区域变大，变形明显；通过与涂覆传统碳脂电极的介电弹性体膜变形对比，两者类似。
实施例3
一种本发明的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性透明电极膜的制备方法，包括以下步骤：
1)准备以下质量的各原料组分：
Figure BDA0002274929640000051
2)将上述2g氯化钠粉末溶于100g水后，再加入1.8g硅油充分搅拌，然后得到混合液，最后添加6g聚丙烯酰胺粉末，用玻璃棒不断搅拌该混合液5min，直至充分混合得到水凝胶形态的柔性凝胶；
3)将柔性凝胶静置60min，然后把柔性凝胶拉伸至透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
变形效果测试：将上述方法制备的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜覆盖在介电弹性体VHB膜的表面上，周围涂覆碳脂，并通入3kV的电压，观察该软体驱动器系统的变形效果，结果显示介电弹性体膜上覆有水凝胶膜的区域变形率较实施例1和实施例2小，原因是由于溶液中离子数量相对较少。
实施例4
一种本发明的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性透明电极膜的制备方法，包括以下步骤：
1)准备以下质量的各原料组分：
Figure BDA0002274929640000052
2)将上述3g氯化钠粉末溶于80g水后，再加入1.2g硅油充分搅拌，然后加入20g5％的氯化钠溶液得到混合液，最后添加4g聚丙烯酰胺粉末，用玻璃棒不断搅拌该混合液5min，直至充分混合得到水凝胶形态的柔性凝胶；
3)将柔性凝胶静置120min，然后把柔性凝胶拉伸至透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
变形效果测试：将上述方法制备的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜覆盖在介电弹性体VHB膜的表面上，应用于透镜结构，并通入3kV的电压，观察该电极膜的变形率，镜片膜成凸出状，变形效果良好，能够满足应用要求。
实施例5
一种本发明的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性透明电极膜的制备方法，包括以下步骤：
1)准备以下质量的各原料组分：
Figure BDA0002274929640000061
2)将上述2g氯化钠粉末溶于60g水后，加入30g 5wt％的氯化钠溶液得到混合液，最后添加2g聚丙烯酰胺粉末，用玻璃棒均匀搅拌该混合液10min，直至充分混合得到水凝胶形态的柔性凝胶；
3)将柔性凝胶静置90min，然后把柔性凝胶拉伸至透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
变形效果测试：将上述方法制备的基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜覆盖在介电弹性体VHB膜的表面上，通入3kV的电压，观察介电弹性体VHB的变形效果，结果显示该水凝胶电极的透明度在原始条件下相对实施例1、2、3和实施例4最高，可直接涂覆与介电弹性体VHB上，但是变形效果一般，归因于聚丙烯酰胺粉末量少，以及电极膜中离子数量偏少的缘故。

Claims (6)

1.一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)按照以下质量百分比称取原料：
聚丙烯酰胺粉末 2％～20％
氯化钠粉末 0.5％～20％
水 60％～95％；
2)将氯化钠粉末溶于水后得到氯化钠溶液，加入聚丙烯酰胺粉末，搅拌直至成凝胶状的柔性凝胶；
3)将步骤2)中的柔性凝胶常温静置，然后把柔性凝胶拉伸至完全透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
2.如权利要求1所述的一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)按照以下质量百分比称取原料：
Figure FDA0002274929630000011
2)将氯化钠粉末溶于水后，倒入硅油得到混合溶液，向混合溶液中加入聚丙烯酰胺粉末，搅拌混合液直至成凝胶状的柔性凝胶；
3)将步骤2)中的柔性凝胶常温静置，然后把柔性凝胶拉伸至完全透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
3.如权利要求1所述一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)按照以下质量百分比称取原料：
Figure FDA0002274929630000012
2)将氯化钠粉末溶于水后，倒入硅油得到混合溶液，向混合溶液中加入聚丙烯酰胺粉末，最后加入5wt％的氯化钠溶液，搅拌混合液直至成凝胶状的柔性凝胶；
3)将步骤2)中的柔性凝胶常温静置，然后把柔性凝胶拉伸至完全透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
4.如权利要求1所述一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)按照以下质量百分比称取原料：
2)将氯化钠粉末溶于水后得到氯化钠溶液，加入聚丙烯酰胺粉末，最后加入5wt％的氯化钠溶液，搅拌混合液直至成凝胶状的柔性凝胶；
3)将步骤2)中的柔性凝胶常温静置，然后把柔性凝胶拉伸至完全透明得到基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜。
5.如权利要求1～4任一所述的一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述的将步骤2)中的柔性凝胶常温静置中，静置的时长为5min～120min。
6.如权利要求1所述的一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性电极膜的制备方法，其特征在于：所述氯化钠粉末的用量为聚丙烯酰胺粉末质量的25％～100％。
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