CN113388131B - 一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法 - Google Patents

一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113388131B
CN113388131B CN202110654894.6A CN202110654894A CN113388131B CN 113388131 B CN113388131 B CN 113388131B CN 202110654894 A CN202110654894 A CN 202110654894A CN 113388131 B CN113388131 B CN 113388131B
Authority
CN
China
Prior art keywords
monomer
polymer
acrylamide
network structure
acrylic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110654894.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113388131A (zh
Inventor
高海南
毛佳乐
师琪
陈哲之
穆凯代斯·阿布来孜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Technology and Business University
Original Assignee
Beijing Technology and Business University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Technology and Business University filed Critical Beijing Technology and Business University
Priority to CN202110654894.6A priority Critical patent/CN113388131B/zh
Publication of CN113388131A publication Critical patent/CN113388131A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113388131B publication Critical patent/CN113388131B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/04—Acids; Metal salts or ammonium salts thereof
    • C08F220/06—Acrylic acid; Methacrylic acid; Metal salts or ammonium salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10—Esters
    • C08F220/38—Esters containing sulfur
    • C08F220/387—Esters containing sulfur and containing nitrogen and oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/52—Amides or imides
    • C08F220/54—Amides, e.g. N,N-dimethylacrylamide or N-isopropylacrylamide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2333/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2333/02—Homopolymers or copolymers of acids; Metal or ammonium salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2433/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2433/04—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers esters
    • C08J2433/14—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers esters of esters containing halogen, nitrogen, sulfur, or oxygen atoms in addition to the carboxy oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2433/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2433/24—Homopolymers or copolymers of amides or imides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)

Abstract

本发明提供了一种柔性透明离子凝胶电极的制备方法，包括：S1)将第一丙烯酰胺类单体和\或第一丙烯酸类单体在交联剂存在的条件下进行聚合反应，得到网络结构聚合物；S2)将上述网络结构聚合物充分浸泡在含有第二丙烯酸类单体和/或第二丙烯酰胺类单体的溶液中进行充分溶胀，然后加热进行聚合反应，得到双网络结构聚合物；S3)将上述双网络结构聚合物在离子溶液中充分溶胀，得到柔性透明离子凝胶电极。与现有技术相比，本发明制备方法简单，所制备的电极具有透明柔软高力学性能且高导电的特性，并在低温仍具有较高的电导率，可应用在极端环境下的柔性传感器、可穿戴设备等电子设备领域。

Description

一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性电极技术领域，尤其涉及一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法。
背景技术
随着电子科技的不断进步，为解决人们不断提升的生活健康等需求，柔性电子技术随之开发并发展迅速，未来将引起一场新的智能革命。柔性电极是柔性电子设备的核心部件，尤其是近年来发展的柔性透明电极在触摸屏显示、表皮可穿戴及植入式电子设备等中均起到决定性的作用。
柔性透明电极一般印制在弹性体基材上，折叠、扭曲、拉伸等是其常见的变形模式。近年来随着纳米材料与高分子材料的发展，已经发展多种可用于柔性电极制备的材料，如石墨烯、导电高分子、金属纳米颗粒、纳米线、液态金属等。然而，由于由高导电金属制成的超薄金属膜形成金属岛的存在使得许多薄金属膜在膜厚度超过一定阈值之前不导电，然后厚度增加必然导致其透明度的下降；相较于Ag、Cu和Au的高导电金属制成的超薄金属膜，石墨烯和PEDOT/PSS薄膜均表现出较低的导电性；而超薄金属纳米线膜在增加的拉伸应变下，线与线之间会断裂，导致接触电阻在几Ω到千兆Ω范围内大幅增加，电极不能保持相当低的薄层电阻；液态金属镓及其合金与汞，毒性高，使用起来安全性差。
水凝胶由分散在水及水溶液中的亲水聚合物网络组成，同时具有卓越的韧性，优异的拉伸性，光学透明性和高离子导电性，是可用于柔性透明电极的理想材料之一。然而，水凝胶中包含约90wt％的水，受溶剂体系的影响在所有这些应用中，多数水凝胶在低温环境下易结晶变硬，高温环境下易失水变干，水凝胶不可避免地会在高温或低温下降低使其使用性能(如弹性、导电性、透明性和自适应性等)，从而严重限制了它们在极端环境下的应用。
目前，研究人员通过表面包覆保护层材料，将水部分或全部地用难挥发性有机相或离子液体代替等方法拓宽水凝胶在柔性透明电极领域的应用范围和前景，使得所制备的器件在极端环境下也能正常工作。另外，无机和有机添加物的引入，还有机会进一步增强水凝胶的机械韧性和耐久性，为延长凝胶材料的使用寿命提供了保障。
然而，由于弹性体往往具有电绝缘性，表面弹性体的修饰可能会对水凝胶材料在柔性电子方面的应用产生不利影响。另外，弹性体材料只是物理性的阻隔水凝胶中水分的蒸发，并不能通过氢键等作用力结合和绑住水凝胶中的水分子，也不能改善水凝胶的抗结冰性能。而且水凝胶和弹性体是性质差异较大的两类聚合物材料，尽管它们之间的界面层可以通过聚合作用相结合，但是两相界面在长期使用过程中仍有分层脱落现象。对于大多数有机水凝胶来说，有机溶剂的存在可能会对水凝胶材料的导电性会产生不利影响，增加材料电阻，并需要考虑有机溶剂的毒性。
因此急需发展一种新型柔性透明电极，能够解决长期保存和低温抗冻的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法，该柔性透明离子凝胶电极无需透明有机聚合物基底，并能够扩大离子凝胶的使用温度范围。
本发明提供了一种柔性透明离子凝胶电极的制备方法，包括：
S1)将丙烯酰胺类单体和\或第一丙烯酸类单体在交联剂存在的条件下进行聚合反应，得到网络结构聚合物；
S2)将所述网络结构聚合物充分浸泡在含有第二丙烯酸类单体的溶液中进行充分溶胀，然后加热进行聚合反应，得到双网络结构聚合物；
S3)将所述双网络结构聚合物在离子溶液中充分溶胀，得到柔性透明离子凝胶电极。
优选的，所述丙烯酰胺类单体选自丙烯酰胺、N,N-二烷基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺与N,N-二烷基甲基丙烯酰胺中的一种或多种；所述第一丙烯酸类单体与第二丙烯酸类单体各自独立地选自丙烯酸、甲基丙烯酸与式(I)所示的单体中的一种或多种：
Figure BDA0003112266820000031
其中，R为氢或烷基，a为1～10的整数，b为1～10的整数。
优选的，所述第二丙烯酸类单体中丙烯酸和/或甲基丙烯酸与式(I)所示的单体的摩尔比为(5～10)：(0～5)。
优选的，所述丙烯酰胺类单体选自丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基甲基丙烯酰胺与N,N-二乙基甲基丙烯酰胺中的一种或多种；所述第一丙烯酸类单体与第二丙烯酸类单体各自独立地选自丙烯酸、甲基丙烯酸与3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐中的一种或多种。
优选的，所述交联剂选自甲叉双丙烯酰胺和/或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯；所述交联剂的摩尔量为第一丙烯酰胺类单体和/或第二丙烯酸类单体摩尔量的0.1％～0.5％。
优选的，所述步骤S1)中还加入第一引发剂；所述第一引发剂为过硫化物引发剂；所述第一引发剂的摩尔量为丙烯酰胺类单体和/或第一丙烯酸类单体摩尔量的0％～1％；
所述步骤S2)中含有第二丙烯酸类单体的溶液中还含有第二引发剂；所述第二引发剂为过硫化物引发剂；所述第二引发剂的摩尔量为第二丙烯酸类单体摩尔量的0％～1％。
优选的，所述步骤S1)中还加入脂肪胺加速剂；所述脂肪胺加速剂为N,N,N',N'-四甲基乙二胺；所述脂肪胺加速剂的摩尔量为第一丙烯酰胺类单体和/或第二丙烯酸类单体摩尔量的0％～1％。
优选的，所述离子溶液包含无机盐和/或两性离子渗透剂；所述无机盐选自氯化钙、氯化钠、氯化锂与氯化铵中的一种或多种；所述两性离子渗透剂选自脯氨酸与甜菜碱中的一种或多种。
优选的，所述离子溶液中无机盐的质量浓度为10％～30％；所述两性离子渗透剂的质量浓度为30％～40％。
优选的，所述步骤S2)中聚合反应的温度为50℃～70℃；所述聚合反应的时间为1～3h。
本发明还提供了上述制备方法所制备的透明离子凝胶电极。
本发明提供了一种柔性透明离子凝胶电极的制备方法，包括：S1)将第一丙烯酰胺类单体和\或第一丙烯酸类单体在交联剂存在的条件下进行聚合反应，得到网络结构聚合物；S2)将上述网络结构聚合物充分浸泡在含有第二丙烯酸类单体和/或第二丙烯酰胺类单体的溶液中进行充分溶胀，然后加热进行聚合反应，得到双网络结构聚合物；S3)将上述双网络结构聚合物在离子溶液中充分溶胀，得到柔性透明离子凝胶电极。与现有技术相比，本发明制备方法简单，所制备的电极具有透明柔软高力学性能且高导电的特性，并在低温仍具有较高的电导率，可应用在极端环境下的柔性传感器、可穿戴设备等电子设备领域。
附图说明
图1为本发明实施例1中所用单体的结构图；
图2为本发明实施例1中所用离子溶液的化学式；
图3为本发明实施例1～实施例3中得到的透明离子凝胶电极的透过率结果图；
图4为本发明实施例3中得到的透明离子凝胶电极在冷却升温过程中的热流曲线图；
图5为本发明对实施例1～实施例3中得到的透明离子凝胶电极的离子电导率测量结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中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做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。
本发明提供了一种柔性透明离子凝胶电极的制备方法，包括：S1)将丙烯酰胺类单体和\或第一丙烯酸类单体在交联剂存在的条件下进行聚合反应，得到网络结构聚合物；S2)将上述网络结构聚合物充分浸泡在含有第二丙烯酸类单体的溶液中进行充分溶胀，然后加热进行聚合反应，得到双网络结构聚合物；S3)将上述双网络结构聚合物在离子溶液中充分溶胀，得到柔性透明离子凝胶电极。
其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。在本发明中，如无特殊说明，所述丙烯酸类单体均指丙烯酸单体及其衍生物单体，也包括其成酯之后的单体。
将第丙烯酰胺单体和/或第一丙烯酸类单体在交联剂存在的条件下进行聚合反应；所述丙烯酰胺类单体优选为丙烯酰胺、N,N-二烷基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺与N,N-二烷基甲基丙烯酰胺中的一种或多种；其中所述N,N-二烷基丙烯酰胺与N,N-二烷基甲基丙烯酰胺中烷基的碳原子数各自独立地为1～5，更优选为1～3，再优选为1或2；在本发明中，最优选地，所述丙烯酰胺类单体为丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基甲基丙烯酰胺与N,N-二乙基甲基丙烯酰胺中的一种或多种；所述第一丙烯酸类单体优选为丙烯酸、甲基丙烯酸与式(I)所示的单体中的一种或多种，更优选为丙烯酸、甲基丙烯酸与3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐中的一种或多种，再优选为3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐；在本发明中，最优选地，将丙烯酰胺类单体或第一丙烯酸类单体在交联剂存在的条件下进行聚合反应；所述交联剂优选为甲叉双丙烯酰胺和/或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯；所述交联剂的摩尔量优选为丙烯酰胺类单体和/或第二丙烯酸类单体(即反应体系中总单体)摩尔量的0.1％～0.5％，更优选为0.2％～0.4％，再优选为0.3％；所述聚合反应优选在水中进行；反应体系中丙烯酰胺类单体和/或第一丙烯酸类单体的浓度优选为1～5mol/L，更优选为1～3mol/L，再优选为2～3mol/L，最优选为2～2.5mol/L；反应体系中优选还加入第一引发剂；所述第一引发剂优选为过硫化物引发剂，更优选为过硫酸铵；所述剂的摩尔量优选为丙烯酰胺类单体和/或第一丙烯酸类单体摩尔量的0％～1％，更优选为0.2％～0.4％，再优选为0.3％；反应体系中优选还加入脂肪胺加速剂；所述脂肪胺加速剂优选为多甲基二胺类加速剂，更优选为N,N,N',N'-四甲基乙二胺；所述加速剂的摩尔量优选为丙烯酰胺类单体和/或第一丙烯酸类单体摩尔量的0％～1％，更优选为0.4％～1％，再优选为0.8％～1％；所述聚合反应为自由基聚合反应；所述聚合反应优选在室温的条件下进行；聚合反应结束后，优选除去杂质，得到网络结构聚合物。
Figure BDA0003112266820000061
其中，R为氢或烷基，优选为氢或C1～C5的烷基，更优选为氢或C1～C2的烷基，再优选为氢或甲基；a为1～10的整数，更优选为1～8的整数，再优选为1～6的整数，再优选为2～4的整数，最优选为2～3的整数；b为1～10的整数，更优选为1～8的整数，再优选为1～6的整数，再优选为2～4的整数，最优选为2～3的整数。
将所述网络结构聚合物充分浸泡在含有第二丙烯酸类单体的溶液中进行充分溶胀，然后加热进行聚合反应，得到双网络结构聚合物；所述第二丙烯酸类单体优选为丙烯酸、甲基丙烯酸与式(I)所示的单体中的一种或多种，更优选为丙烯酸、甲基丙烯酸与3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐中的一种或多种；在本发明中，该溶液中至少包括丙烯酸和/或甲基丙烯酸；所述第二丙烯酸类单体中丙烯酸和/或甲基丙烯酸与式(I)所示的单体的摩尔比优选为(5～10)：(0～5)；在本发明提供的实施例中，所述丙烯酸和/或甲基丙烯酸与式(I)所示的单体的摩尔比具体为5：5、8：2或10：0；所述含有第二丙烯酸类单体的溶液中第二丙烯酸类单体的浓度优选为10～25mol/L，更优选为10～20mol/L，再优选为15～20mol/L；在本发明提供的实施例中，所述含有第二丙烯酸类单体的溶液中第二丙烯酸类单体的浓度具体为16.4mol/L；所述含有第二丙烯酸类单体的溶液中优选还包括第二引发剂；所述第二引发剂优选为过硫化物引发剂，更优选为过硫酸铵；该溶液中第二引发剂的摩尔量优选为第二丙烯酸类单体摩尔量的0％～1％，更优选为0.1％～0.4％，再优选为0.2％～0.3％；充分溶胀达到平衡后，取出充分溶胀后的网络结构聚合物，加热进行聚合反应，得到双网络结构聚合物；所述聚合反应的温度优选为50℃～70℃，更优选为55℃～65℃，再优选为60℃；所述聚合反应的时间优选为1～3h，更优选为2～3h。
将所述双网络结构聚合物在离子溶液中充分溶胀，得到柔性透明离子凝胶电极；所述离子溶液优选包含无机盐和/或两性离子渗透剂；所述无机盐优选为氯化钙、氯化钠、氯化锂与氯化铵中的一种或多种；所述两性离子渗透剂优选为脯氨酸；所述离子溶液中无机盐的质量浓度优选为10％～30％；当离子溶液中仅包含无机盐时，所述无机盐的质量浓度优选为20％～30％，更优选为25％～30％；当所述离子溶液中同时包括无机盐与两性离子渗透剂时，所述无机盐的质量浓度优选为10％～15％，更优选为10％～14.5％；所述两性离子渗透剂的浓度优选为30％～40％，更优选为34％～37％，再优选为34.2％～36.4％。
本发明制备方法简单，所制备的电极具有透明柔软高力学性能且高导电的特性，并在低温仍具有较高的电导率，可应用在极端环境下的柔性传感器、可穿戴设备等电子设备领域。
本发明还提供了一种上述方法制备的透明离子凝胶电极；所述透明离子凝胶电极以双网络结构聚合物为骨架；所述双网络结构聚合物包括丙烯酰胺类单体和/或第一丙烯酸类单体聚合形成的网络结构及第二丙烯酸类单体形成的网络结构。
所述丙烯酰胺类单体、第一丙烯酸类单体及第二丙烯酸类单体均同上所述，在此不再赘述。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法进行详细描述。
以下实施例中所用的试剂均为市售。
实施例1
1.1聚合物网络预聚液及离子溶液的配置：
基于丙烯酸(AA)和[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(TB)两种单体的共聚物，所用交联剂为甲叉双丙烯酰胺(BIS)，两种单体和交联剂的分子式如图1所示。
(1)所配置的第一聚合物预聚液中两种单体摩尔比例为AA/TB＝0：1。预聚液以300mL水溶液体系为例，称取176.7克TB，0.3克BIS交联剂和0.9克过硫酸铵引发剂，溶于300毫升水中，室温搅拌充分溶解，通氮气除氧，置于4℃环境保存。
(2)所配置的第二聚合物预聚液中两种单体摩尔比例为AA/TB＝4：1。预聚液以275mL水溶液体系为例，称取144克AA和140克TB单体，1.2克过硫酸铵引发剂，溶于275毫升水中，室温搅拌充分溶解，通氮气除氧，置于4℃环境保存。
(3)离子溶液的配置：基于无机盐(CaCl2、NaCl、LiCl、NH4Cl)与两性离子渗透物(脯氨酸)，如图2所示。
CaX类离子溶液：
将30克CaCl2溶于70克水中混合均匀得到的30wt％CaCl2为Ca30。
XP类离子溶液：
将34克NaCl，80克脯氨酸溶于120克水中混合均匀得到NaP离子溶液。
将22克NH4Cl，80克脯氨酸溶于120克水中混合均匀得到NP离子溶液。
将24克LiCl，80克脯氨酸溶于120克水中混合均匀得到LP离子溶液。
1.2将第一聚合物网络预聚液溶均匀搅拌后倒入模具，在加速剂N,N,N',N'-四甲基乙二胺(225μL)存在下，室温(25℃)用自由基聚合法合成透明的凝胶，最后除去杂质得到多孔网络结构聚合物。
1.3将步骤1.2中制备的第一聚合物网络用第二聚合物网络预聚液充分溶胀达到平衡，通过加热(60℃加热聚合2小时)引发形成双网络结构。
1.4引入离子溶液充分溶胀达到平衡，得到透明离子凝胶电极，记为TBAA。
实施例2
2.1将第一聚合物网络预聚液溶液(以300mL水溶液体系为例配置的预聚液，称取80.4克N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)，0.3克BIS交联剂和0.9克过硫酸铵引发剂，溶于300毫升水中，室温搅拌充分溶解，通氮气除氧)均匀搅拌后倒入模具，在加速剂N,N,N',N'-四甲基乙二胺(225μL)存在下，在4℃下用自由基聚合法合成透明的凝胶，最后除去杂质得到第一网络结构聚合物。
2.2将制备的第一聚合物网络用第二聚合物网络预聚液(配置的预聚液中两种单体摩尔比例为AA/TB＝8：2。预聚液以275mL水溶液体系为例，称取144克AA和140克TB单体，1.2克过硫酸铵引发剂，溶于275毫升水中，室温搅拌充分溶解，通氮气除氧)充分溶胀达到平衡，通过加热(60℃热聚合2小时)得到双网络结构；此双网络结构用于下一步制备离子凝胶透明电极。
2.3引入离子溶液充分溶胀达到平衡，得到透明离子凝胶电极，记为PDEAT82。
实施例3
3.1将第一聚合物预聚液(以300mL水溶液体系为例，称取176.7克TB，0.3克BIS交联剂和0.9克过硫酸铵引发剂，溶于300毫升水中，室温搅拌充分溶解，通氮气除氧)均匀搅拌后倒入模具，在加速剂N,N,N',N'-四甲基乙二胺(225μL)存在下，室温(25℃)用自由基聚合法合成透明的凝胶，最后除去杂质得到第一网络结构聚合物。
3.2将制备的第一聚合物网络用第二聚合物网络预聚液充分溶胀(配置的预聚液中两种单体摩尔比例为AA/TB＝8：2，第二聚合物网络预聚液以275mL水溶液体系为例，称取144克AA和140克TB单体，1.2克过硫酸铵引发剂，溶于275毫升水中，室温搅拌充分溶解，通氮气除氧，至于4度环境保存)，充分溶胀达到平衡，通过加热(60℃热聚合2小时)引发形成双网络结构，此双网络结构用于下一步制备离子凝胶透明电极。
3.3引入离子溶液充分溶胀达到平衡，得到透明离子凝胶电极，记为TBAT82。
对实施例1～实施例3中得到的透明离子凝胶电极的透过率基于紫外可见光谱在波长470～480nm范围内进行检测，得到结果如图3所示，其中每个透明离子凝胶电极的柱形图从左至右离子依次为水、Ca30、NaP、NP、LP。
利用差示扫描量热仪(简称DSC，型号TA Q2000)对实施例3中得到的透明离子凝胶电极在冷却升温过程中的热流曲线进行测试，进而表明凝胶电极在低温范围内是否发生结冰等相变过程，得到结果如图4所示。
对实施例1～实施例3中得到的透明离子凝胶电极的离子电导率进行测量，得到结果如图5所示，其中(a)25℃条件下不同配比离子凝胶的离子电导率；(b)-50℃条件下不同配比离子凝胶的离子电导率；(c)在25℃放置7天后不同配比离子凝胶的离子电导率；(d)闭电路分别由LED灯和不同配比离子凝胶组成。

Claims (7)

1.一种柔性透明离子凝胶电极的制备方法，其特征在于，包括：
S1)将丙烯酰胺类单体和\或第一丙烯酸类单体在交联剂存在的条件下进行聚合反应，得到网络结构聚合物；
S2)将上述网络结构聚合物充分浸泡在含有第二丙烯酸类单体的溶液中进行充分溶胀，然后加热进行聚合反应，得到双网络结构聚合物；
S3)将上述双网络结构聚合物在离子溶液中充分溶胀，得到柔性透明离子凝胶电极；
所述丙烯酰胺类单体选自丙烯酰胺、N,N-二烷基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺与N,N-二烷基甲基丙烯酰胺中的一种或多种；所述第一丙烯酸类单体与第二丙烯酸类单体各自独立地选自丙烯酸、甲基丙烯酸与式(I)所示的单体中的一种或多种：
Figure FDA0003866806030000011
其中，R为氢或烷基，a为1～10的整数，b为1～10的整数；
所述第二丙烯酸类单体中丙烯酸和/或甲基丙烯酸与式(I)所示的单体的摩尔比为(5～10)：(0～5)，且式(I)所示的单体含量不为0；
所述交联剂选自甲叉双丙烯酰胺和/或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺类单体选自丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基甲基丙烯酰胺与N,N-二乙基甲基丙烯酰胺中的一种或多种；所述第一丙烯酸类单体与第二丙烯酸类单体各自独立地选自丙烯酸、甲基丙烯酸与3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1)中还加入第一引发剂；所述第一引发剂为过硫化物引发剂；所述第一引发剂的摩尔量为丙烯酰胺类单体和/或第一丙烯酸类单体摩尔量的0％～1％，且不为0；
所述步骤S2)中含有第二丙烯酸类单体的溶液中还含有第二引发剂；所述第二引发剂为过硫化物引发剂；所述第二引发剂的摩尔量为第二丙烯酸类单体摩尔量的0％～1％，且不为0。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1)中还加入脂肪胺加速剂；所述脂肪胺加速剂为N,N,N',N'-四甲基乙二胺；所述脂肪胺加速剂的摩尔量为丙烯酰胺类单体和/或第一丙烯酸类单体摩尔量的0％～1％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离子溶液包含无机盐和/或两性离子渗透剂；所述无机盐选自氯化钙、氯化钠、氯化锂与氯化铵中的一种或多种；所述两性离子渗透剂选自脯氨酸与甜菜碱中的一种或多种；
所述离子溶液中无机盐的质量浓度为10％～30％；所述两性离子渗透剂的质量浓度为30％～40％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2)中聚合反应的温度为50℃～70℃；所述聚合反应的时间为1～3h。
7.权利要求1～6任意一项制备方法所制备的透明离子凝胶电极。
CN202110654894.6A 2021-06-11 2021-06-11 一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法 Active CN113388131B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110654894.6A CN113388131B (zh) 2021-06-11 2021-06-11 一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110654894.6A CN113388131B (zh) 2021-06-11 2021-06-11 一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113388131A CN113388131A (zh) 2021-09-14
CN113388131B true CN113388131B (zh) 2022-11-22

Family

ID=77620673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110654894.6A Active CN113388131B (zh) 2021-06-11 2021-06-11 一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113388131B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113769120A (zh) * 2021-09-18 2021-12-10 北京脑陆科技有限公司 双层导电水凝胶的制备方法
CN113980167A (zh) * 2021-11-25 2022-01-28 北部湾大学 一种丙烯酸-丙烯酸钠-磺酸内盐的共聚交联产物及其制备方法和应用
CN114350094B (zh) * 2021-12-08 2022-11-08 广东省科学院化工研究所 一种温敏热电水凝胶及其制备方法和应用
CN115232242B (zh) * 2022-08-26 2024-01-16 浙江工业大学 一种水下高强度离子凝胶及其制备方法与应用
CN116574212A (zh) * 2023-03-23 2023-08-11 厦门大学 一种聚合物/液态金属复合导电固体材料及其制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105140408B (zh) * 2015-08-02 2018-03-23 北京天恒盛通科技发展有限公司 柔性透明复合离子液体凝胶导电电极的制备方法
CN108554394A (zh) * 2018-02-08 2018-09-21 北京林业大学 一种磁性双网络阳离子水凝胶基复合吸附材料的制备及其应用
CN110148781A (zh) * 2019-04-22 2019-08-20 华中科技大学 一种离子液体凝胶电解质、其制备方法和应用
CN111533847B (zh) * 2020-06-01 2021-04-16 中国科学院长春应用化学研究所 高强度离子液体凝胶及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113388131A (zh) 2021-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113388131B (zh) 一种柔性透明离子凝胶电极及其制备方法
Ding et al. A semi-interpenetrating network ionic composite hydrogel with low modulus, fast self-recoverability and high conductivity as flexible sensor
Zhang et al. Highly stretchable, self-adhesive, biocompatible, conductive hydrogels as fully polymeric strain sensors
Duan et al. Ultra‐stretchable and force‐sensitive hydrogels reinforced with chitosan microspheres embedded in polymer networks
Hua et al. A novel xanthan gum-based conductive hydrogel with excellent mechanical, biocompatible, and self-healing performances
Su et al. Balancing the mechanical, electronic, and self-healing properties in conductive self-healing hydrogel for wearable sensor applications
Gao et al. Transparent and conductive amino acid-tackified hydrogels as wearable strain sensors
Deng et al. Self-recoverable and mechanical-reinforced hydrogel based on hydrophobic interaction with self-healable and conductive properties
JP5132278B2 (ja) 有機無機複合ヒドロゲルの製造方法
Gao et al. A highly adhesive, self-healing and perdurable PEDOT: PSS/PAA–Fe 3+ gel enabled by multiple non-covalent interactions for multi-functional wearable electronics
CN112679776B (zh) 一种基于水凝胶的功能化柔性电子器件及其制备方法
JP5246854B2 (ja) 有機無機複合ゲル
Wu et al. Stretchable and self-healing ionic conductive elastomer for multifunctional 3D printable sensor
Lei et al. Environmentally Adaptive Polymer Hydrogels: Maintaining Wet‐Soft Features in Extreme Conditions
CN114940729B (zh) 一种具有抗溶胀特性的高强度微相分离离子凝胶及其制备方法
CN113078339A (zh) 一种含poss和嵌段共聚物的阴离子交换膜及其制备方法
CN111647111A (zh) 一种双网络结构水凝胶电解质薄膜及其制备方法与应用
CN113004459A (zh) 一种高透明、高拉伸、高导电离子水凝胶的制备方法
CN115232242A (zh) 一种水下高强度离子凝胶及其制备方法与应用
Luo et al. A Fully Self‐Healing and Highly Stretchable Liquid‐Free Ionic Conductive Elastomer for Soft Ionotronics
Tong et al. Synergic influences of network topologies and associative interactions on the microstructures and bulk performances of hydrogels
Yao et al. Granular ionogel particle inks for 3D printed tough and stretchable ionotronics
Wang et al. Self‐Contained Underwater Adhesion and Informational Labeling Enabled by Arene‐Functionalized Polymeric Ionogels
Gao et al. Hydrophobic deep eutectic solvent‐based ionic conductive gels with highly stretchable, fatigue‐resistant and adhesive performances for reliable flexible strain sensors
CN113871705A (zh) 一种自修复聚离子液体基电解质及其制备和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant