CN111675797B - 一种基于maa/pedot:pss导电水凝胶的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，包括以下具体步骤：S1：将丙烯酰胺水溶液、MAA、PEDOT:PSS、过硫酸铵溶液和N，N'‑亚甲基双丙烯酰胺混合，冰水浴下高速分散均匀，获得MAA/PEDOT:PSS混合液；S2：将所述步骤S1中获得的混合液浇铸于模具内反应，制备得到MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶；还包括导电水凝胶在应力传感器、柔性电极和超级电容器中的应用。本发明的有益效果是本发明通过引入双键羧酸单体如甲基丙烯酸，一方面MAA的引入可以提高水凝胶的粘附性能，另一方面利用MAA的羧酸基团与PEDOT的相互作用，减弱PEDOT与PSS)的相互作用，提高水凝胶的电导率，制得具备良好机械性能、导电性能、粘附性能及传感性能的MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。

Description

一种基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及导电水凝胶制备的技术领域，具体涉及一种基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法及应用。
背景技术
导电水凝胶结合了导电材料的电学性能及水凝胶的柔性特性，在电子皮肤、柔性传感器、柔性驱动器、新能源电池等领域具有潜在应用前景。但目前制备兼具良好拉伸性能、高电导率、良好粘附及传感性能的导电水凝胶仍是一个挑战。
近年来，由丙烯酰胺通过水溶液聚合制备得到的聚丙烯酰胺水凝胶具备良好的力学性能及良好的生物相容性，是制备导电水凝胶的理想基材之一。此外，导电水凝胶常用的导电介质有导电填料如碳纳米管、石墨烯等、导电高分子如聚苯胺、聚吡咯、PEDOT:PSS等。其中PEDOT:PSS是近年来柔性传感领域使用较多的一种水溶性的导电高分子掺杂剂。但PEDOT:PSS掺杂导电水凝胶的电导率受到绝缘体PSS的制约。通常采用溶剂剥离，π-π相互作用剥离PSS，提高PEDOT:PSS的电导率。本发明通过引入双键羧酸单体如甲基丙烯酸(MAA)，一方面MAA的引入可以提高水凝胶的粘附性能，另外一方面利用MAA的羧酸基团与PEDOT的相互作用，减弱PEDOT(EDOT(3，4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物)与PSS(聚苯乙烯磺酸钠)的相互作用，提高水凝胶的电导率，制得具备良好机械性能、导电性能、粘附性能及传感性能的MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法及应用，旨在解决上述技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，包括以下具体步骤：
S1：将丙烯酰胺水溶液、MAA、PEDOT:PSS、过硫酸铵溶液和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺混合，冰水浴下高速分散均匀，获得MAA/PEDOT:PSS混合液；
S2：将所述步骤S1中获得的混合液浇铸于模具内反应，制备得到MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤S1中，所述丙烯酰胺水溶液、所述MAA、所述PEDOT:PSS、所述过硫酸铵溶液以及所述N，N'-亚甲基双丙烯酰胺的重量份比例为(1500-2000):(1-100):(1-3):(200-500):(2-8)。
进一步，所述步骤S1中，所述丙烯酰胺水溶液的质量百分比为25wt％-30wt％。
进一步，所述步骤S1中，所述PEDOT:PSS为PH 1000，固含量为1.0％-1.3％。
进一步，所述步骤S1中，所述过硫酸铵溶液的质量百分比浓度为1.0wt％-2.0wt％。
进一步，所述步骤S1中，将所述丙烯酰胺水溶液、所述MAA、PEDOT:PSS、所述过硫酸铵溶液和所述N，N'-亚甲基双丙烯酰胺混合，冰水浴下通过高速分散器分散均匀，所述高速分散器的转速为10000-20000prm，分散时间为10min。
进一步，所述步骤S2中，所述步骤S1中获得的混合液在50～70℃条件下反应12～48h。
进一步，所述步骤S2中，所述模具的长、宽、深分别为100mm、100mm、(2-6)mm。
进一步，所述步骤S2中，所述模具采用聚四氟乙烯材料制成。
一种如上所述的制备方法制备出的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶在应力传感器、柔性电极或超级电容器中的应用。
本发明的有益效果是：本发明通过引入双键羧酸单体如甲基丙烯酸，一方面MAA的引入可以提高水凝胶的粘附性能，另外一方面利用MAA的羧酸基团与PEDOT的相互作用，减弱PEDOT与PSS的相互作用，提高水凝胶的电导率，制得具备良好机械性能、导电性能、粘附性能及传感性能的MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
另外，本发明以丙烯酰胺、甲基丙烯酸(MAA)为单体，N，N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵为引发剂，水为溶剂，PEDOT:PSS为掺杂剂，通过水溶液聚合得到具备良好机械性能、导电性能、粘附性能及传感性能的导电水凝胶。本发明通过掺杂PEDOT:PSS及调节MAA用量，调节MAA与PEDOT的相互作用，剥离PSS，提升MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的粘附性能及电导率。本发明制备方法简单，原料易得，制备的MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶在应力传感器领域具有潜在应用前景。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明中MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备示意图；
图3为本发明中MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶粘附在铜金属板上的示意图；
图4为本发明中MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶粘附在木板上的示意图；
图5为本发明中MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶粘附在聚四氟乙烯板上的示意图；
图6为本发明中MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶粘附在皮肤上的示意图；
图7为本发明中MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的机械性能展示图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图7所示，本发明提供一种基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，包括以下具体步骤：
S1：将丙烯酰胺水溶液、MAA、PEDOT:PSS、过硫酸铵溶液和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺混合，冰水浴下高速分散器分散均匀，其中高速分散器的转速为10000-20000prm，分散时间为10min，获得MAA/PEDOT:PSS混合液；
S2：将所述步骤S1中获得的混合液浇铸于长、宽、深分别为100mm、100mm、(2-6)mm的聚四氟乙烯模具内，50～70℃条件下反应12～48h，制备得到MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
上述技术方案中，丙烯酰胺、MAA在N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的作用下交联成网状结构，PEDOT:PSS分子链半互穿在网状结构中，赋予水凝胶良好的机械性能；MAA赋予水凝胶良好的粘附性能；PEDOT:PSS赋予水凝胶良好的导电性能；MAA/PEDOT:PSS溶液具有良好的透明性，赋予水凝胶良好的透明性。
进一步，所述步骤S1中，所述丙烯酰胺水溶液、所述MAA、所述PEDOT:PSS、所述过硫酸铵溶液以及所述N，N'-亚甲基双丙烯酰胺的重量份比例为(1500-2000):(0.01-100):(1-3):(200-500):(2-8)。
进一步，所述步骤S1中，所述丙烯酰胺水溶液的质量百分比为25wt％-30wt％。
进一步，所述步骤S1中，所述PEDOT:PSS为PH 1000，固含量为1.0％-1.3％。
进一步，所述步骤S1中，所述过硫酸铵溶液的质量百分比浓度为1.0wt％-2.0wt％。
一种如上所述的制备方法制备出的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶在应力传感器、柔性电极或超级电容器中的应用。
上述技术方案以丙烯酰胺、甲基丙烯酸(MAA)为单体，N，N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵为引发剂，水为溶剂，PEDOT:PSS为掺杂剂，通过水溶液聚合得到具备良好机械性能、导电性能、粘附性能及传感性能的导电高分子凝胶。
本发明还提供了MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶作为应力传感器材料。
本发明所提供的MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶具有良好的机械性能、导电性能、粘附性能及传感性能，可作为应力传感器材料。
实施例1
S1：将5.5g的27wt.％的丙烯酰胺溶液、0.02g的MAA、0.25g 1.0wt％的PEDOT:PSS、1.015g的1.5wt％的APS溶液和0.015g的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺加入于100mL烧杯中，冰水浴下用高速分散器分散，得到混合均一的MAA/PEDOT:PSS混合液；
S2：将步骤S1的混合液，浇铸于模具内，50℃条件下反应12h，制得MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
实施例2
S1：将5.5g的27wt.％的丙烯酰胺溶液、0.0375g的MAA、0.25g 1.0wt.％的PEDOT:PSS、1.015g的1.5wt.％的APS溶液和0.015g的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺加入于100mL烧杯中，冰水浴下用高速分散器分散，得到混合均一的MAA/PEDOT:PSS混合液；
S2：将步骤S1的混合液，浇铸于模具内，70℃条件下反应24h，制得MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
实施例3
S1：将5.5g的27wt.％的丙烯酰胺溶液、0.075g的MAA、0.25g 1.0wt.％的PEDOT:PSS、1.015g的1.5wt.％的APS溶液和0.015g的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺加入于100mL烧杯中，冰水浴下用高速分散器分散，得到混合均一的MAA/PEDOT:PSS混合液；
S2：将步骤S1的混合液，浇铸于模具内，60℃条件下反应48h，制得MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
实施例4
S1：将5.5g的27wt.％的丙烯酰胺溶液、0.1125g的MAA、0.25g 1.0wt.％的PEDOT:PSS、1.015g的1.5wt.％的APS溶液和0.015g的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺加入于100mL烧杯中，冰水浴下用高速分散器分散，得到混合均一的MAA/PEDOT:PSS混合液；
S2：将步骤S1：的混合液，浇铸于模具内，50℃条件下反应48h，制得MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
实施例5
S1：将5.5g的27wt.％的丙烯酰胺溶液、0.15g的MAA、0.25g 1.0wt.％的PEDOT:PSS、1.015g的1.5wt.％的APS溶液和0.015g的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺加入于100mL烧杯中，冰水浴下用高速分散器分散，得到混合均一的MAA/PEDOT:PSS混合液；
S2：将步骤S1：的混合液，浇铸于模具内，70℃条件下反应12h，制得MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
对比例
S1：将5.5g的27wt.％的丙烯酰胺溶液、0g的MAA、0.25g 1.0wt％的PEDOT:PSS、1.015g的1.5wt％的APS溶液和0.015g的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺加入于100mL烧杯中，冰水浴下用高速分散器分散，得到混合均一的MAA/PEDOT:PSS混合液；
S2：将步骤S1的混合液，浇铸于模具内，50℃条件下反应12h，制得MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
采用Instron 5565万能拉力机表征了实施例1-5和对比例中MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的拉伸，拉伸速率为10mm/min；
采用四探针法(Keithley 2000)表征了实施例1-5和对比例中MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的电导率；
表征了MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶与铜板、木板、聚四氟乙烯板及皮肤的粘附性能；
采用DMM-6000数字多用表表征了MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的应力传感性能；
表征结果如表1，图3至图7所示：
表1实施例1-5样品的机械性能、电导率、透明性、应力传感性
Figure BDA0002510742450000071
本发明主要研究了MAA对水凝胶性能的影响，比较对比例和实施例2可得出，(对比例不添加MAA，实施例2添加少量的MAA)，添加MAA，可以提供水凝胶的拉伸强度和电导率，对比对比例、实施例2、3、5表现出的较高拉伸强度和电导率，可能原因是：MAA量的增加，增大了聚合物分子链间氢键作用，提高了水凝胶的强度，此外，随着MAA含量的增加，羧酸基团与PEDOT的相互作用提高，减了弱PEDOT与PSS的相互作用，提高水凝胶的电导率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (9)

1.一种基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1：将丙烯酰胺水溶液、MAA、PEDOT:PSS、过硫酸铵溶液和N，N'-甲基双丙烯酰胺混合，冰水浴下高速分散均匀，获得MAA/PEDOT:PSS混合液；
其中，所述丙烯酰胺水溶液、所述MAA、所述PEDOT:PSS、所述过硫酸铵溶液以及所述N，N'-亚甲基双丙烯酰胺的重量份比例为5.5:0.02:0.25:1.015:0.015；
或所述丙烯酰胺水溶液、所述MAA、所述PEDOT:PSS、所述过硫酸铵溶液以及所述N，N'-亚甲基双丙烯酰胺的重量份比例为5.5:0.0375:0.25:1.015:0.015；
或所述丙烯酰胺水溶液、所述MAA、所述PEDOT:PSS、所述过硫酸铵溶液以及所述N，N'-亚甲基双丙烯酰胺的重量份比例为5.5:0.075:0.25:1.015:0.015；
或所述丙烯酰胺水溶液、所述MAA、所述PEDOT:PSS、所述过硫酸铵溶液以及所述N，N'-亚甲基双丙烯酰胺的重量份比例为5.5:0.1125:0.25:1.015:0.015；
或所述丙烯酰胺水溶液、所述MAA、所述PEDOT:PSS、所述过硫酸铵溶液以及所述N，N'-亚甲基双丙烯酰胺的重量份比例为5.5:0.15:0.25:1.015:0.015；
S2：将所述步骤S1中获得的混合液浇铸于模具内反应，制备得到
MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶。
2.根据权利要求1所述的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述丙烯酰胺水溶液的质量百分比为25 wt%-30 wt%。
3.根据权利要求1所述的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述PEDOT:PSS为PH 1000，固含量为1.0%-1.3%。
4.根据权利要求1所述的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述过硫酸铵溶液的质量百分比浓度为1.0 wt%-2.0 wt%。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，将所述丙烯酰胺水溶液、所述MAA、PEDOT:PSS、所述过硫酸铵溶液和所述N，N'-亚甲基双丙烯酰胺混合，冰水浴下通过高速分散器分散均匀，所述高速分散器的转速为10000-20000prm，分散时间为10min。
6.根据权利要求1-4任一项所述的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述步骤S1中获得的混合液在50～70℃条件下反应12～48h。
7.根据权利要求1-4任一项所述的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述模具的长、宽、深分别为100mm、100mm、（2-6）mm。
8.根据权利要求1-4任一项所述的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述模具采用聚四氟乙烯材料制成。
9.一种根据权利要求1-4任一项所述的制备方法制备出的基于MAA/PEDOT:PSS导电水凝胶在应力传感器、柔性电极或超级电容器中的应用。
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GR01 Patent grant
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