CN110964214A - 一种电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法。本发明制备方法依次包括以下步骤：第一步，采用芳纶纤维溶解在二甲基亚砜获得芳纶聚合物的二甲基亚砜溶液；第二步，将水缓慢加入芳纶聚合物的二甲基亚砜溶液中使芳纶聚合物析出，形成芳纶纳米纤维水性分散液；第三步，将丙烯酰胺(AAm)和2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸(AMPS)溶解到芳纶纳米纤维水性分散液中，然后进行自由基聚合；第四步，获得芳纶纳米纤维复合P(AAm‑co‑AMPS)水凝胶。芳纶纤维是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维。本发明制备方法操作简便且可批量制作，制备的水凝胶的电响应性能、机械性能和柔韧性优异。

Description

一种电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电刺激响应型水凝胶的制备方法，特别涉及一种电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法，属于智能材料领域。
背景技术
随着社会经济的发展，智能材料是研究热点之一，智能刺激响应型材料的市场需求越来越大，它们具有一定的承载能力并在此基础上能对外界的环境变化做出响应，还实现了自适应、自变形、自诊断、自修复等功能。智能水凝胶材料对不同的外界信号诸如PH、温度、电场、光和磁场等做出响应，因为分为PH值敏感型水凝胶、温度型敏感水凝胶、光敏感型水凝胶、磁场型敏感水凝胶等。电场敏感型水凝胶由于电能转变为机械能的特点，在人工肌肉、软体机器人、传感器、可控药物释放等领域展开应用研究。然而尽管研究逐渐深入，市场应用范围扩大，水凝胶关键的相对脆弱的本质限制了更广的发展。保证电刺激响应速度和程度的前提下来提高其力学性能，成为目前研究的热点之一。
目前柔性电极通常采用石墨烯和碳纳米管，为了提高其力学性能，科学家们做出了双网络聚合物水凝胶、纳米复合水凝胶、大分子微球水凝胶、疏水缔合水凝胶和拓扑性水凝胶等。
发明内容
本发明的目的在于提供同时具有优秀电刺激响应性能和力学性能的水凝胶材料的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法，依次包括以下步骤：
第一步，采用芳纶纤维溶解在二甲基亚砜获得芳纶聚合物的二甲基亚砜溶液；
第二步，将水缓慢加入芳纶聚合物的二甲基亚砜溶液中使芳纶聚合物析出，形成芳纶纳米纤维水性分散液；
第三步，将丙烯酰胺(AAm)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶解到芳纶纳米纤维水性分散液中，然后进行自由基聚合；
第四步，获得芳纶纳米纤维复合P(AAm-co-AMPS)水凝胶。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法中，第一步采用的芳纶纤维是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法的第一步中，二甲基亚砜加有氢氧化钾，在70～95℃下充分搅拌3-5天形成暗红色均一的芳纶聚合物二甲基亚砜溶液。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法中，在第二步之前要充分离心去除芳纶聚合物二甲基亚砜溶液中的沉淀物，再稀释至5mg/mL。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法中，第二步刚开始要在5000～8000rpm高速剪切力作用下缓慢滴加去离子水。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法中，第二步以4mL/min速度缓慢滴加去离子水。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法具有以下显著优点：(1)采用商业化的芳纶纤维织物为原料制备柔性电极材料；(2)通过具有强碱性的KOH使得芳纶纤维溶解在二甲基亚砜溶液中形成溶液，该方法操作简单便捷且可大批量制作；(3)通过掺杂纳米纤维与单体共混合从而在一定温度下聚合形成水凝胶，一步合成方法简单，获得的水凝胶材料的电响应性能、机械性能和柔韧性优异。
具体实施方式
本发明一种电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法，依次包括以下步骤：
第一步，采用芳纶纤维溶解在二甲基亚砜获得芳纶聚合物的二甲基亚砜溶液；
第二步，将水缓慢加入芳纶聚合物的二甲基亚砜溶液中使芳纶聚合物析出，形成芳纶纳米纤维水性分散液；
第三步，将丙烯酰胺(AAm)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶解到芳纶纳米纤维水性分散液中，然后进行自由基聚合；
第四步，获得芳纶纳米纤维复合P(AAm-co-AMPS)水凝胶。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法中，第一步采用的芳纶纤维是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法的第一步中，二甲基亚砜加有氢氧化钾，在70～95℃下充分搅拌3-5天形成暗红色均一的芳纶聚合物二甲基亚砜溶液。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法中，在第二步之前要充分离心去除芳纶聚合物二甲基亚砜溶液中的沉淀物，再稀释至5mg/mL。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法中，第二步刚开始要在5000～8000rpm高速剪切力作用下缓慢滴加去离子水。
本发明电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法中，第二步以4mL/min速度缓慢滴加去离子水。
实施例1
首先将芳纶纤维丝线剪成2cm左右的短纤维；将剪好的纤维丝线放入圆底烧瓶中，加入50mL乙醇或丙酮，浸泡12h，再超声处理1h，倒掉溶剂，将清洗过后的丝线放入75℃的电热恒温鼓风干燥箱12h，烘去溶剂，称取重量确保水分烘干，称取3g纤维；称取4.5gKOH，加入至500ml的圆底烧瓶中，倒入200mL的二甲基亚砜，在电动搅拌下器上95℃搅拌3-5天，最终得到均一稳定的暗红色的溶液(15mg/mL)。将上述制备的溶液稀释至1mg/mL，在8000rpm下逐滴加入50mL去离子水，直到溶液由暗红色变为均一的淡黄色分散液，剧烈搅拌混合物1h，再通过离心洗涤获得芳纶纳米纤维胶体。冷却至室温后，将所得产品过滤，分散在去离子水中，然后渗析直至pH达到中性。称取单体丙烯酰胺(AAm)4.8g，2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸(AMPS)1.6g加入100mL烧杯中，加入25mL水，在磁力搅拌器上搅拌1h至均一单体混合溶液。称取1.5g芳纶纳米纤维胶体加入单体混合液中进行混合，接着称取交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)0.12g和引发剂过硫酸钾(KPS)0.1g，加入其中溶解和混合并进行脱泡，最后得到浇铸溶液。吸取浇铸溶液注入用两个玻璃板夹着方形硅胶板构成的模具中，用保鲜膜封好口子，放入75℃的恒温真空烘箱中12h。将制备的膜放入去离子水中浸泡12h去除剩余单体和小分子，即得到本发明芳纶纳米纤维复合电刺激响应型水凝胶材料。本发明芳纶纳米纤维复合电刺激响应型水凝胶材料具有优异的机械柔性，抗拉伸强度可达到1.25MPa，断裂伸长率达到415％，平均电刺激响应速度为15°/S，电响应性能和力学性能优异。
对比例1
称取单体丙烯酰胺(AAm)4.8g，2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸(AMPS)1.6g加入100ml烧杯中，加入25ml水，在磁力搅拌器上搅拌1h至均一单体混合溶液。接着称取交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)0.12g和引发剂过硫酸钾(KPS)0.1g，加入其中溶解和混合并进行脱泡，最后得到浇铸溶液。吸取浇铸溶液注入用两个玻璃板夹着方形硅胶板构成的模具中，用保鲜膜封好口子，放入75℃的恒温真空烘箱中12h。将制备的膜放入去离子水中浸泡12h去除剩余单体和小分子，即得到对比样电刺激响应型水凝胶材料。对比样电刺激响应型水凝胶材料的抗拉伸强度仅为0.37MPa，断裂伸长率仅98％，平均电刺激响应速度为17°/S，力学性能和柔韧性不高。

Claims (6)

1.一种电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
第一步，采用芳纶纤维溶解在二甲基亚砜获得芳纶聚合物的二甲基亚砜溶液；
第二步，将水缓慢加入芳纶聚合物的二甲基亚砜溶液中使芳纶聚合物析出，形成芳纶纳米纤维水性分散液；
第三步，将丙烯酰胺(AAm)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶解到芳纶纳米纤维水性分散液中，然后进行自由基聚合；
第四步，获得芳纶纳米纤维复合P(AAm-co-AMPS)水凝胶。
2.根据权利要求1所述的电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法，其特征在于：第一步采用的芳纶纤维是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维。
3.根据权利要求1或2所述的电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法，其特征在于：第一步中二甲基亚砜加有氢氧化钾，在70～95℃下充分搅拌3-5天形成暗红色均一的芳纶聚合物二甲基亚砜溶液。
4.根据权利要求1～3任一项所述的电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法，其特征在于：在第二步之前要充分离心去除芳纶聚合物二甲基亚砜溶液中的沉淀物，再稀释至5mg/mL。
5.根据权利要求1～4任一项所述的电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法，其特征在于：第二步刚开始要在5000～8000rpm高速剪切力作用下缓慢滴加去离子水。
6.根据权利要求1～5任一项所述的电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶的制备方法，其特征在于：第二步以4mL/min速度缓慢滴加去离子水。
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