CN113621143B - 一种具有透气导电水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有透气导电水凝胶的制备方法，其特点是以水性石墨烯作为导电物质，DMSO为促进导电物质分散的溶剂与PVA、PVP交联，在加热搅拌下获得了可成胶的液体，然后使用微针模板，使成胶液体在冷凝过程中形成了多孔结构，制得具有透气导电水凝胶。本发明与现有技术相比具透气效果较好，制备工艺简单，易操作，清洁环保，成本低廉，适应性广，并可通过选择不同直径的微针也可以控制透气孔的直径，从而控制其透气性。

Description

一种具有透气导电水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及导电透气水凝胶制备技术领域，尤其是一种具有良好透气性能的导电水凝胶制备方法。
背景技术
近年来，柔性电子学成为了电子领域的又一个热门话题。其中，柔性的、可穿戴的传感器更是成为了热点中的热点。在众多柔性的材料中，水凝胶由于具有良好的生物相容性，且杨氏模量低，因此非常适合用来制作可穿戴传感器。基于水凝胶的可穿戴传感器也层出不穷，研究至目前，已经合成了基于PAAm的水凝胶的传感器（Nano Energy,2019,58:96-104）；基于PVA的水凝胶的传感器（Advanced Materials Technologies,2018,3:1802576），以及海藻酸钠复合水凝胶的传感器（Nanoscale,2015,7:14766-14773），同时其力学和电学性能也不断提高，已经达到甚至超过传感器的要求。
现有技术的水凝胶由于不具有透气性，其制作的可穿戴传感器，长时间贴合皮肤表面穿戴的舒适性差。因此，需要找到一种广泛适用的方法使需要长时间佩戴的水凝胶具有一定的透气性，从而提高穿着体验。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种具有透气导电水凝胶的制备方法，采用微针模板的方法，将导电凝胶溶液在冷凝过程中形成多孔结构，制得的水凝胶具有良好的透气和导电性能，该凝胶用于长时间贴合皮肤表面的柔性应变传感器，体验度得到进一步的提升，穿戴的舒适性好，并可通过选择不同直径的微针控制凝胶成品的透气性，凝胶气孔直径可控，制备工艺简单，易于操作，生产成本低廉，且广泛适用于各种成分的水凝胶，透气效果好，具有良好的应用前景。
本发明的目的是这样实现的：一种具有透气导电水凝胶的制备方法，其特点是采用微针模板制备多孔的透气水凝胶，其制备具体包括以下步骤：
a、将水性石墨烯在去离子水和二甲基亚砜（DMSO）的混合体系中超声分散，得水性石墨烯分散液，所述水性石墨烯与去离子水和DMSO的质量比为3：50~150：100~300；所述超声分散时间为1~2h。
b、将PVA、PVP加入上述分散均匀的水性石墨烯分散液中，在70~110℃温度下搅拌，直至完全溶解、交联，所述PVA与PVP和水性石墨烯分散液的质量比为：8~10：1：80~100。
c、取适量上述交联的凝胶溶液倒入平底容器中，将微针模板的针尖向下置于容器底部，即微针朝下放入溶液中，低温下冷冻后在室温下融化，重复冻融至少3次后将微针取出，制得具有多孔结构的透气水凝胶（可以观察到制备的凝胶上有用来透气的小孔），所述低温下冷冻为-70~-20℃温度下冷凝1~3h。
d、将上述制备的凝胶室温下置于去离子水中浸泡8h以上，以浸出制备时加入的DMSO。
所述超声分散时间优选1h以上。
所述PVA优选AR，1799型。
所述PVP优选K30，其分子量为40000。
所述交联搅拌时间优选2~3h，其搅拌温度优选80~100℃。
本发明与现有技术相比具良好的透气性和导电性能，透气效果较好，成本较低且清洁环保，制备工艺简单、清洁环保，成本低廉，广泛适用于各种导电物质或网络的凝胶制备，适应性广，并可通过选择不同直径的微针也可以控制透气孔的直径，从而控制其透气性。
附图说明
图1为本发明操作流程示意图；
图2为实施例1制备的透气水凝胶。
具体实施方式
参阅附图1，本发明以水性石墨烯作为导电物质，以“万能溶剂”DMSO促进导电物质的分散和PVA、PVP的交联，在加热搅拌的情况下获得了可成胶的液体，然后使用微针模板，使成胶液体在冷凝过程中形成了多孔结构，从而给凝胶带来了较好的透气性，透气导电水凝胶具体制备透气导电水凝胶的方法，包括如下步骤：
a、将导电物质（水性石墨烯）加入去离子水和二甲基亚砜混合溶液中并超声分散。
b、向分散好的体系中加入PVA和PVP，并在90℃左右不断搅拌，直至完全溶解、交联。
c、取适量分散完毕的液体转移至平底容器中，将微针置于液体中作为透气孔形成的模板，在低温下冷凝数小时，冷冻后在室温下融化，冻融多次后取下微针，即得到透气水凝胶。
d、将制备的水凝胶室温下置于去离子水中浸泡，可以浸出制备时加入的DMSO。
下面以制备不同透气率的导电凝胶为例对本发明做进一步的阐述。
实施例1：
1）取21g去离子水与11g二甲基亚砜和0.29g水性石墨烯，装入洁净干燥容器中，将容器置于超声波清洗器中超声分散1h，可以观察到石墨烯已经均匀分散在溶液中。
2）取6.3gPVA和0.7gPVA加入上述分散好的溶液中，在磁力搅拌台上加热至70℃，并磁力搅拌1.5h，直至PVA、PVP全部溶解、交联。
3）取适量交联后的溶液置于洁净干燥的平底容器中，将微针模板的阵列针尖朝下置于液面上，放入冷冻干燥机在-40℃温度下冷冻1.5h。
4）冷冻后取出置于室温下直至解冻，重复冻融三次后，取出微针模板，获得透气水凝胶。
5）将上述透气水凝胶置于去离子水中浸泡一夜，次日取出，制得石墨烯含量为0.4%的透气导电水凝胶。
参阅附图2，上述实施例制备的多孔结构的水凝胶具有一定的透气性。
实施例2
1）取去离子水21g，二甲基亚砜21g，水性石墨烯0.45g，装入洁净干燥容器中，将容器置于超声波清洗器中超声分散1.5h，可以观察到石墨烯已经均匀分散在溶液中。
2）取PVA 6.3g，PVA 0.7g加入上述溶液中，将此溶液在磁力搅拌台上加热至85℃，并磁力搅拌2h，直至PVA、PVP全部溶解、交联。
3）取适量交联后的溶液置于洁净干燥的平底容器中，将微针模板的阵列针尖朝下置于液面上，放入冷冻干燥机在-50℃温度下冷冻2h。
4）冷冻后取出置于室温下直至解冻，重复冻融三次后，取出微针模板，获得透气水凝胶。
5）将透气水凝胶置于去离子水中浸泡一夜，次日取出，制得石墨烯含量为0.6%的透气导电水凝胶。
参阅附图2，上述实施例制备的多孔结构的水凝胶具有良好的透气性。
实施例3：
1）取去离子水21g与二甲基亚砜42g和水性石墨烯0.60g，装入洁净干燥容器中，将容器置于超声波清洗器中超声分散2h，可以观察到石墨烯已经均匀分散在溶液中。
2）取PVA 6g和PVA 1.0g加入上述溶液中，将此溶液在磁力搅拌台上加热至110℃，并磁力搅拌3h，直至PVA、PVP全部溶解、交联。
3）取适量交联后的溶液置于洁净干燥的平底容器中，将微针模板的阵列针尖朝下置于液面上，放入冷冻干燥机在-60℃温度下冷冻3h。
4）冷冻后取出置于室温下直至解冻，重复冻融三次后，取出微针模板，获得透气水凝胶。
5）将上述透气水凝胶置于去离子水中浸泡20h，次日取出，制得石墨烯含量为0.8%的透气导电水凝胶。
参阅附图2，上述实施例制备的多孔结构的水凝胶具有良好的透气性。
本发明可通过选择不同直径的微针控制透气孔的直径，从而控制其透气性。以上仅是本发明的优选实施方式，并非用以限制本专利，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种具有透气导电水凝胶的制备方法，其特征在于采用微针模板的方法，将导电凝胶溶液在冷凝过程中形成多孔结构，其透气水凝胶的制备具体包括以下步骤：
a、将水性石墨烯加入去离子水和二甲基亚砜混合溶液中超声分散1~2h为水性石墨烯分散液，所述水性石墨烯与去离子水和二甲基亚砜的质量比为3：50~150：100~300；
b、将PVA和PVP加入上述水性石墨烯分散液中，在70~110℃温度下搅拌至融化、交联，所述PVA与PVP和水性石墨烯分散液的质量比为：8~10：1：80~100，所述搅拌时间为1.5~13h；
c、取适量上述交联的凝胶溶液倒入平底容器中，将微针模板的针尖向下置于容器底部，在-70~-20℃温度下冷凝1~3h后在室温下融化，重复冻融重复至少3次后取出微针模板，制得具有多孔结构的透气导电水凝胶。
2.根据权利要求1所述具有透气导电水凝胶的制备方法，其特征在于所述步骤c制备的透气导电水凝胶采用去离子水浸泡8h以去除凝胶中的二甲基亚砜。
3.根据权利要求1所述具有透气导电水凝胶的制备方法，其特征在于所述透气导电水凝胶可通过微针直径以及冻融次数控制其透气性。
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