CN115247292B - 一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用 - Google Patents
一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115247292B CN115247292B CN202111079186.0A CN202111079186A CN115247292B CN 115247292 B CN115247292 B CN 115247292B CN 202111079186 A CN202111079186 A CN 202111079186A CN 115247292 B CN115247292 B CN 115247292B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- soluble
- network
- solution
- ion
- double
- 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
Links
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 title claims abstract description 114
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 83
- 238000007710 freezing Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 230000003020 moisturizing effect Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 70
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 57
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims abstract description 37
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 1-methyl-2,4-dioxo-1,3-diazinane-5-carboximidamide Chemical compound CN1CC(C(N)=N)C(=O)NC1=O IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 claims abstract description 24
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229940005550 sodium alginate Drugs 0.000 claims abstract description 24
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 claims abstract description 22
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical compound NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 230000001112 coagulating effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 16
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 claims abstract description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 72
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 claims description 12
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 claims description 9
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 claims description 9
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 8
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 7
- -1 N, N-methylene dipropylamide Chemical compound 0.000 claims description 6
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 6
- 239000011550 stock solution Substances 0.000 claims description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 5
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 5
- 239000013306 transparent fiber Substances 0.000 claims description 3
- 108010053481 Antifreeze Proteins Proteins 0.000 claims description 2
- 230000002528 anti-freeze Effects 0.000 claims description 2
- 230000008014 freezing Effects 0.000 abstract description 7
- 238000002166 wet spinning Methods 0.000 abstract description 7
- FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 6-{[2-carboxy-4,5-dihydroxy-6-(phosphanyloxy)oxan-3-yl]oxy}-4,5-dihydroxy-3-phosphanyloxane-2-carboxylic acid Chemical compound O1C(C(O)=O)C(P)C(O)C(O)C1OC1C(C(O)=O)OC(OP)C(O)C1O FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 229940072056 alginate Drugs 0.000 abstract description 5
- 235000010443 alginic acid Nutrition 0.000 abstract description 5
- 229920000615 alginic acid Polymers 0.000 abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 4
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 abstract description 3
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 abstract description 3
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 8
- KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine Chemical group CN(C)CCN(C)C KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium peroxydisulfate Substances [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- VAZSKTXWXKYQJF-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)OOS([O-])=O VAZSKTXWXKYQJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 description 7
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 4
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 4
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 4
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 4
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 3
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 3
- ZIUHHBKFKCYYJD-UHFFFAOYSA-N n,n'-methylenebisacrylamide Chemical compound C=CC(=O)NCNC(=O)C=C ZIUHHBKFKCYYJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 235000010410 calcium alginate Nutrition 0.000 description 2
- 239000000648 calcium alginate Substances 0.000 description 2
- 229960002681 calcium alginate Drugs 0.000 description 2
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- OKHHGHGGPDJQHR-YMOPUZKJSA-L calcium;(2s,3s,4s,5s,6r)-6-[(2r,3s,4r,5s,6r)-2-carboxy-6-[(2r,3s,4r,5s,6r)-2-carboxylato-4,5,6-trihydroxyoxan-3-yl]oxy-4,5-dihydroxyoxan-3-yl]oxy-3,4,5-trihydroxyoxane-2-carboxylate Chemical compound [Ca+2].O[C@@H]1[C@H](O)[C@H](O)O[C@@H](C([O-])=O)[C@H]1O[C@H]1[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O[C@H]2[C@H]([C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O2)C([O-])=O)O)[C@H](C(O)=O)O1 OKHHGHGGPDJQHR-YMOPUZKJSA-L 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 150000002978 peroxides Chemical group 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 2-(2-cyanopropan-2-yldiazenyl)-2-methylpropanenitrile Chemical compound N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KIFPIAKBYOIOCS-UHFFFAOYSA-N 2-methyl-2-(trioxidanyl)propane Chemical compound CC(C)(C)OOO KIFPIAKBYOIOCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101710134784 Agnoprotein Proteins 0.000 description 1
- 239000004342 Benzoyl peroxide Substances 0.000 description 1
- OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N Benzoylperoxide Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(=O)OOC(=O)C1=CC=CC=C1 OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021591 Copper(I) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- YIVJZNGAASQVEM-UHFFFAOYSA-N Lauroyl peroxide Chemical compound CCCCCCCCCCCC(=O)OOC(=O)CCCCCCCCCCC YIVJZNGAASQVEM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RFFFKMOABOFIDF-UHFFFAOYSA-N Pentanenitrile Chemical compound CCCCC#N RFFFKMOABOFIDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H aluminium sulfate (anhydrous) Chemical compound [Al+3].[Al+3].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 235000019400 benzoyl peroxide Nutrition 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 235000009508 confectionery Nutrition 0.000 description 1
- OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M copper(I) chloride Chemical compound [Cu]Cl OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000358 iron sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L iron(2+) sulfate (anhydrous) Chemical compound [Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- LLYCMZGLHLKPPU-UHFFFAOYSA-N perbromic acid Chemical compound OBr(=O)(=O)=O LLYCMZGLHLKPPU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 1
- USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L potassium persulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 229940070710 valerate Drugs 0.000 description 1
- NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N valeric acid Chemical compound CCCCC(O)=O NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F8/00—Conjugated, i.e. bi- or multicomponent, artificial filaments or the like; Manufacture thereof
- D01F8/18—Conjugated, i.e. bi- or multicomponent, artificial filaments or the like; Manufacture thereof from other substances
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
- D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
- D01F1/09—Addition of substances to the spinning solution or to the melt for making electroconductive or anti-static filaments
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
- D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
- D01F1/10—Other agents for modifying properties
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F11/00—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture
- D01F11/04—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of synthetic polymers
- D01F11/06—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of synthetic polymers of macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F8/00—Conjugated, i.e. bi- or multicomponent, artificial filaments or the like; Manufacture thereof
- D01F8/04—Conjugated, i.e. bi- or multicomponent, artificial filaments or the like; Manufacture thereof from synthetic polymers
- D01F8/10—Conjugated, i.e. bi- or multicomponent, artificial filaments or the like; Manufacture thereof from synthetic polymers with at least one other macromolecular compound obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds as constituent
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Artificial Filaments (AREA)
Abstract
本发明提供了一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用，属于水凝胶纤维技术领域。本发明基于湿法纺丝制备离子导电水凝胶纤维，水凝胶纺丝原液挤入凝固浴后，海藻酸钠与凝固浴中的可溶性多价金属离子发生离子交联，形成多价金属离子海藻酸盐交联网络；在紫外光下，在光引发剂和光催化剂的作用下，丙烯酰胺发生共价交联反应，形成聚丙烯酰胺交联网络。本发明将所述双网络离子导电水凝胶纤维前驱体浸渍于置换溶液中进行溶剂置换，在溶剂置换的过程中，前驱体内结合的水分被置换溶液中的甘油置换，能够提高双网络离子导电水凝胶纤维的保湿性和抗冻性。
Description
技术领域
本发明涉及水凝胶纤维技术领域，特别涉及一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用。
背景技术
可拉伸导电纤维是下一代柔性电子产品的关键元素，大多数现有的导电纤维是以电子传输为基础，具有不透明、相对刚性高、拉伸过程电阻变化大的缺陷。因此，柔软、可拉伸、透明的离子导电水凝胶纤维引起了人们的广泛关注。
水凝胶纤维是一种由亲水性高分子链和大量水分子组成的具有三维网络结构的高分子聚合物纤维，由于其独特的三维网络结构特性，水凝胶具有保水性、渗透扩散性、吸水性和防污性等特点，被广泛应用于电子皮肤、人工肌肉、环境工程和食品化学等领域。不同于大多数导电纤维以电子传输为基础，离子导电水凝胶纤维通过水相中的离子传递电流，因此在拉伸下电阻变化小于现有的电子导电纤维，并具有很高的延展性和透明度。
但是，现有单网络离子导电水凝胶强力较差，双网络离子导电水凝胶强力相对单网络离子导电水凝胶更高，但现有两种水凝胶没有保水措施，在空气中水凝胶中的溶剂水易蒸发干燥，使用寿命短，同时，在低温下溶剂水易冻结，严重阻碍了其广泛的应用，不适合在干燥或者低温环境下使用。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用。本发明所得保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维具有良好的保湿性和抗冻性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将可溶性一价金属离子、海藻酸钠、丙烯酰胺、交联剂、光引发剂、光催化剂和水混合，得到水凝胶纺丝原液；
(2)所述水凝胶纺丝原液挤入至凝固浴中，在紫外光下进行交联反应，得到双网络离子导电水凝胶纤维前驱体，所述凝固浴为可溶性多价金属离子的水溶液；
(3)将所述双网络离子导电水凝胶纤维前驱体浸渍于置换溶液中进行溶剂置换，得到保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维，所述置换溶液的溶质包括步骤(1)中的可溶性一价金属离子和步骤(2)中的可溶性多价金属离子，所述置换溶液的溶剂包括甘油和水；所述置换溶液中溶质的总摩尔浓度高于水凝胶纺丝原液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度。
优选的，步骤(1)中提供所述可溶性一价金属离子的可溶性一价金属盐与海藻酸钠的质量比为5～25:2～10；
所述水凝胶纺丝原液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度为0.5～1.5mol/L。
优选的，所述可溶性一价金属离子为Li+、K+、Na+和Ag+中的一种或几种。
优选的，所述可溶性多价金属离子包括可溶性二价金属离子和/或可溶性三价金属离子，所述可溶性二价金属离子为Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+和Ba2+中的一种或几种；所述可溶性三价金属离子为Fe2+和/或Al2+。
优选的，所述凝固浴中可溶性多价金属离子的摩尔浓度为0.02～0.04mol/L；所述凝固浴的温度为60～100℃。
优选的，所述步骤(2)中纺丝头的孔径为0.06～1.55mm；
所述挤出的速率为0.1～0.6mL·min-1。
优选的，所述置换溶液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度为0.5～1.5mol/L，可溶性多价金属离子的摩尔浓度独立为0.02～0.04mol/L；
所述置换溶液中甘油和水的体积比为0.5～1:0.5～1。
优选的，所述溶剂置换的时间为1～6h。
本发明提供了上述制备方法制备得到的保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维。
本发明提供了上述保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维在可穿戴应变传感器或透明纤维电极中的应用。
本发明提供了一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：(1)将可溶性一价金属离子、海藻酸钠、丙烯酰胺、交联剂、光引发剂、光催化剂和水混合，得到水凝胶纺丝原液；(2)所述水凝胶纺丝原液挤入至凝固浴中，在紫外光下进行交联反应，得到双网络离子导电水凝胶纤维前驱体，所述凝固浴为可溶性多价金属离子的水溶液；(3)将所述双网络离子导电水凝胶纤维前驱体浸渍于置换溶液中进行溶剂置换，得到保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维，所述置换溶液的溶质包括步骤(1)中的可溶性一价金属离子和步骤(2)中的可溶性多价金属离子，所述置换溶液的溶剂包括甘油和水；所述置换溶液中溶质的总摩尔浓度高于水凝胶纺丝原液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度。本发明基于湿法纺丝制备离子导电水凝胶纤维，水凝胶纺丝原液挤入凝固浴后，水凝胶纺丝原液中的海藻酸钠与凝固浴中的可溶性多价金属离子发生离子交联，形成多价金属离子海藻酸盐交联网络；在紫外光下，在光引发剂和光催化剂的作用下，丙烯酰胺发生共价交联反应，形成聚丙烯酰胺交联网络，双交联网络的形成有利于提高水凝胶纤维的弹性和拉伸性能。本发明将所述双网络离子导电水凝胶纤维前驱体浸渍于置换溶液中进行溶剂置换，在溶剂置换的过程中，前驱体内结合的水分被置换溶液中的溶剂置换，一方面，置换溶液中含有多种金属离子溶质，根据溶液的依数性原理，随着溶质粒子数目增加，溶液的蒸气压下降、凝固点下降，这使得双网络离子导电水凝胶纤维的保湿性和抗冻性提高；另一方面，置换溶液中的水和甘油与双交联网络中的海藻酸盐和聚丙烯酰胺存在氢键作用，能够进一步降低双网络离子导电水凝胶纤维所结合水相溶液的蒸气压和凝固点，从而进一步提高双网络离子导电水凝胶纤维的保湿性和抗冻性。同时，本发明所得水凝胶纤维所结合的水相溶液中含有一价金属离子，能够赋予水凝胶纤维良好的导电性。
附图说明
图1为湿法纺丝过程的示意图；
图2为海藻酸钠与钙离子交联形成海藻酸钙网络结构示意图；
图3为双网络离子导电水凝胶纤维交联网络演变示意图；
图4为所得保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的实物图。
具体实施方式
本发明提供了一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将可溶性一价金属离子、海藻酸钠、丙烯酰胺、交联剂、光引发剂、光催化剂和水混合，得到水凝胶纺丝原液；
(2)所述水凝胶纺丝原液挤入至凝固浴中，在紫外光下进行交联反应，得到双网络离子导电水凝胶纤维前驱体，所述凝固浴为可溶性多价金属离子的水溶液；
(3)将所述双网络离子导电水凝胶纤维前驱体浸渍于置换溶液中进行溶剂置换，得到保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维，所述置换溶液的溶质包括步骤(1)中的可溶性一价金属离子和步骤(2)中的可溶性多价金属离子，所述置换溶液的溶剂包括甘油和水；所述置换溶液中溶质的总摩尔浓度高于水凝胶纺丝原液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度。
如无特殊说明，本发明所用原料均为市售。
本发明将可溶性一价金属离子、海藻酸钠、丙烯酰胺、交联剂、光引发剂、光催化剂和水混合，得到水凝胶纺丝原液。在本发明中，所述可溶性一价金属离子优选为Li+、K+、Na+和Ag+中的一种或几种；提供所述可溶性一价金属离子所用可溶性一价金属盐优选为LiCl、KCl、NaCl和AgNO3中的一种或几种。
在本发明中，所述交联剂优选为无机交联剂和/或有机交联剂，所述无机交联剂优选为水溶性卤化铁、水溶性卤化锌、水溶性卤化铝、硫酸铁和硫酸铝水泥中的一种或几种。
在本发明中，所述光引发剂优选为过氧化物类引发剂和/或偶氮化合物类引发剂，所述过氧化物类引发剂优选为过硫酸钾、过硫酸铵、过溴酸钠、过氧化氢、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰和叔丁羟基过氧化物中的一种或几种；所述偶氮化合物类引发剂优选为偶氮二异丁腈、偶氮双二甲基戊腈、偶氮双氰基戊酸钠和偶氮脒盐中的一种或几种。
在本发明中，所述光催化剂优选为N,N,N′,N′-四甲基乙二胺。
在本发明中，所述水优选为去离子水。
在本发明中，提供所述可溶性一价金属离子的可溶性一价金属盐与海藻酸钠的质量比优选为5～25:2～10，更优选为10～15：4～8；
所述水凝胶纺丝原液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度为0.5～1.5mol/L，更优选为0.8～1.2mol/L。
所述海藻酸钠与丙烯酰胺的质量比优选为2～10:0.6～3，更优选为4～8：1～2。
所述海藻酸钠与交联剂的质量比优选为2～10：0.003～0.015，更优选为4～8：0.005～0.01。
所述海藻酸钠与光引发剂的质量比优选为2～10：0.006～0.03，更优选为4～8：0.01～0.02。
所述海藻酸钠与光催化剂的质量比优选为2～10：0.0002～0.0006，更优选为4～8：0.0004～0.0005。
在本发明中，所述混合优选为搅拌混合。本发明优选先将可溶性一价金属盐溶于水中，再加入海藻酸钠混合，之后加入丙烯酰胺、交联剂、光引发剂和催化剂。
得到所述水凝胶纺丝原液后，所述水凝胶纺丝原液挤入至凝固浴中，在紫外光下进行交联反应，得到双网络离子导电水凝胶纤维前驱体。在本发明中，所述凝固浴为可溶性多价金属离子的水溶液。在本发明中，所述可溶性多价金属离子优选包括可溶性二价金属离子和/或可溶性三价金属离子，所述可溶性二价金属离子优选为Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+和Ba2+中的一种或几种；所述可溶性三价金属离子优选为Fe2+和/或Al2+。在本发明中，提供所述可溶性二价金属离子所用的可溶性二价金属盐优选为CaCl2、MgCl2、FeCl2、CuCl2、ZnCl2和BaCl2中的一种或几种；提供所述可溶性三价金属离子所用的可溶性三价金属盐优选为FeCl3和/或AlCl3。
在本发明中，所述凝固浴中可溶性多价金属离子的摩尔浓度独立优选为0.02～0.04mol/L，更优选为0.03mol/L；所述凝固浴的温度优选为60～100℃，更优选为80～90℃。
在本发明中，所述水凝胶纺丝原液经过纺丝头挤入至凝固浴中，所述纺丝头的孔径优选为0.06～1.55mm，更优选为0.1～1.2mm，进一步优选为0.2～0.8mm。
在本发明中，所述挤出的速率优选为0.1～0.6mL·min-1，更优选为0.3～0.5mL·min-1。
在本发明中，所述紫外光的波长优选为10～400nm，更优选为50～300nm。
在本发明中，所述交联反应包括离子交联反应和共价交联反应，所述离子交联反应是海藻酸钠与凝固浴中的可溶性多价金属离子结合，形成多价金属离子海藻酸盐交联网络；所述共价交联反应是在紫外光下，在光引发剂、催化剂的作用下，丙烯酰胺发生共价交联，形成丙烯酰胺交联网络。
所述交联反应后，本发明优选将所得双网络离子导电水凝胶纤维前驱体固体从凝固浴中牵引出来，所述牵引的速率优选为60～120cm·min-1，更优选为80～100cm·min-1。
得到所述双网络离子导电水凝胶纤维前驱体后，本发明将所述双网络离子导电水凝胶纤维前驱体浸渍于置换溶液中进行溶剂置换，得到保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维。在本发明中，所述置换溶液的溶质包括步骤(1)中的可溶性一价金属离子和步骤(2)中的可溶性多价金属离子，所述置换溶液的溶剂包括甘油和水。
在本发明中，所述置换溶液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度优选为0.5～1.5mol/L，更优选为0.8～1.2mol/L；所述可溶性多价金属离子的摩尔浓度优选为0.02～0.04mol/L，更优选为0.03mol/L；在本发明中，所述置换溶液中甘油和水的体积比优选为0.5～1:0.5～1，更优选为0.6～0.8:1。
在本发明中，所述溶剂置换的温度优选为室温，时间优选为1～6h，更优选为2～4h。
本发明提供了上述制备方法制备得到的保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维，所述保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的直径优选为0.1～2mm，更优选为0.3～0.6mm。
在本发明中，所述保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维具有双交联网络，即多价金属离子海藻酸盐交联网络和丙烯酰胺交联网络。在本发明中，所述保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维中结合有置换溶液，置换溶液中含有甘油和水组成的混合溶剂，混合溶剂与双交联聚合物网络间存在氢键作用，能够降低水凝胶纤维所结合置换溶液的蒸气压和凝固点，因而提高了甘油/水混合溶剂的抗干燥性能和耐低温性能。同时，本发明所得水凝胶纤维所结合的水相溶液中含有一价金属离子，能够赋予水凝胶纤维良好的导电性。
本发明提供了上述保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维在可穿戴应变传感器、人工肌肉或透明纤维电极中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：
第一步：配制纺丝原液：将1.52g氯化锂(LiCl)粉末和0.6g海藻酸钠(SA)粉末溶解于30ml去离子水中，磁力搅拌20min；加入0.2g丙烯酰胺(AAm)继续磁力搅拌10min；然后加入0.001g N,N-亚甲基双丙基酰胺(MBAA)、0.001g过硫酸铵(APS)和1μL N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)。将混合纺丝液低温下搅拌15min，去除气泡，得到水凝胶纺丝原液，水凝胶纺丝原液中LiCl的摩尔浓度为1.19M。
第二步：湿法纺丝：将纺丝原液注入20mL注射器中，使用注射泵控制纺丝原液挤出速度为0.5mL min-1，通过不锈钢针头(18G)挤入凝固浴(0.05M CaCl2溶液)中，凝固浴上方施加紫外光用以引发AAm交联聚合，将纺出的水凝胶纤维以120cm min-1的速度牵伸并收集到绕线筒上。湿法纺丝过程的示意图如图1所示。
第三步：溶剂置换：将纺出的双网络离子水凝胶导电纤维浸入到含有1.5M LiCl和0.05M CaCl2的甘油/水1:1的置换溶液中6个小时，得到保湿抗冻的双网络离子水凝胶导电纤维。
其中，海藻酸钠与钙离子交联形成海藻酸钙网络结构示意图如图2所示。
双网络离子导电水凝胶纤维交联网络演变示意图如图3所示。
所得保湿抗冻的双网络离子水凝胶导电纤维的实物图如图4所示。
实施例2
保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：
第一步：配制纺丝原液：将2.5g氯化钾(KCl)粉末和0.6g海藻酸钠(SA)粉末溶解于30ml去离子水中，磁力搅拌20min；加入0.2g丙烯酰胺(AAm)继续磁力搅拌10min；然后加入0.001gN,N-亚甲基双丙基酰胺(MBAA)、0.001g过硫酸铵(APS)和1μL N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)。将混合纺丝液低温下搅拌15min，去除气泡，得到水凝胶纺丝原液，水凝胶纺丝原液中KCl的摩尔浓度为1.12M。
第二步：湿法纺丝：将纺丝原液注入20mL注射器中，使用注射泵控制纺丝原液挤出速度为0.5mL min-1，通过不锈钢针头(18G)挤入凝固浴(0.05M BaCl2溶液)中，凝固浴上方施加紫外光用以引发AAm交联聚合，将纺出的水凝胶纤维以120cm min-1的速度牵伸并收集到绕线筒上。
第三步：溶剂置换：将纺出的双网络离子水凝胶导电纤维浸入到含有1.5M KCl和0.05M BaCl2的甘油/水1:1的置换溶液中3个小时，得到保湿抗冻的双网络离子水凝胶导电纤维。
实施例3
保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：
第一步：配制纺丝原液：将2.4g氯化钠(NaCl)粉末和0.6g海藻酸钠(SA)粉末溶解于30ml去离子水中，磁力搅拌20min；加入0.2g丙烯酰胺(AAm)继续磁力搅拌10min；然后加入0.001g N，N-亚甲基双丙基酰胺(MBAA)、0.001g过硫酸铵(APS)和1μL N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)。将混合纺丝液低温下搅拌15min，去除气泡，得到水凝胶纺丝原液，水凝胶纺丝原液中NaCl的摩尔浓度为1.34M。
第二步：湿法纺丝：将纺丝原液注入20mL注射器中，使用注射泵控制纺丝原液挤出速度为0.5mL min-1，通过不锈钢针头(18G)挤入凝固浴(0.05M AlCl3溶液)中，凝固浴上方施加紫外光用以引发AAm交联聚合，将纺出的水凝胶纤维以120cm min-1的速度牵伸并收集到绕线筒上。
第三步：溶剂置换：将纺出的双网络离子水凝胶导电纤维浸入到含有1.5M NaCl和0.05M AlCl3的甘油/水1:1的置换溶液中1个小时，得到保湿抗冻的双网络离子水凝胶导电纤维。
性能测试
对实施例1～3所得保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的保湿效果、抗冻温度、透明度、电导率、拉伸强度进行测试，所得结果列于表1中。其中，透明度的测试方法为：用紫外-可见光分光光度计对双网络水凝胶纤维对波长450～760nm的电磁波进行透过率测试、电导率的测试方法为：通过SEM图像得到双网络水凝胶纤维直径并且用参数分析仪测试径向1cm单位长度电阻，通过电阻率公式ρ＝RS/L的倒数计算得到电导率、拉伸强度的测试方法为使用万能试验机对单位长度的双网络水凝胶纤维进行测试。
表1实施例1～3所得保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的性能
由表1可以看出，本发明提供的保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维具有良好的保湿、抗冻、导电效果，兼具良好的透明度和拉伸强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的保护范围。
Claims (7)
1.一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将可溶性一价金属离子、海藻酸钠、丙烯酰胺、交联剂、光引发剂、光催化剂和水混合，得到水凝胶纺丝原液；
所述可溶性一价金属离子为Li+、K+、Na+和Ag+中的一种或几种；
提供所述可溶性一价金属离子的可溶性一价金属盐与海藻酸钠的质量比为5～25:2～10；
所述水凝胶纺丝原液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度为0.5～1.5mol/L；
所述交联剂为N,N-亚甲基双丙基酰胺；
(2)所述水凝胶纺丝原液挤入至凝固浴中，在紫外光下进行交联反应，得到双网络离子导电水凝胶纤维前驱体，所述凝固浴为可溶性多价金属离子的水溶液；
(3)将所述双网络离子导电水凝胶纤维前驱体浸渍于置换溶液中进行溶剂置换，得到保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维，所述置换溶液的溶质包括步骤(1)中的可溶性一价金属离子和步骤(2)中的可溶性多价金属离子，所述置换溶液的溶剂包括甘油和水；所述置换溶液中溶质的总摩尔浓度高于水凝胶纺丝原液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度；
所述溶剂置换的时间为1～6h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性多价金属离子包括可溶性二价金属离子和/或可溶性三价金属离子，所述可溶性二价金属离子为Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+和Ba2+中的一种或几种；所述可溶性三价金属离子为Fe3+和/或Al3+。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述凝固浴中可溶性多价金属离子的摩尔浓度为0.02～0.04mol/L；所述凝固浴的温度为60～100℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中纺丝头的孔径为0.06～1.55mm；
所述挤出的速率为0.1～0.6mL·min-1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述置换溶液中可溶性一价金属离子的摩尔浓度为0.5～1.5mol/L，可溶性多价金属离子的摩尔浓度独立为0.02～0.04mol/L；
所述置换溶液中甘油和水的体积比为0.5～1:0.5～1。
6.权利要求1～5任意一项所述制备方法制备得到的保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维。
7.权利要求6所述的保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维在可穿戴应变传感器或透明纤维电极中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111079186.0A CN115247292B (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111079186.0A CN115247292B (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115247292A CN115247292A (zh) | 2022-10-28 |
| CN115247292B true CN115247292B (zh) | 2023-11-10 |
Family
ID=83697469
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111079186.0A Active CN115247292B (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115247292B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116163027B (zh) * | 2022-12-30 | 2024-05-03 | 华南理工大学 | 一种水凝胶纤维及其制备与应用 |
| CN116254620B (zh) * | 2023-03-30 | 2024-09-06 | 西南大学 | 一种有机凝胶光导纤维及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103396562A (zh) * | 2013-07-09 | 2013-11-20 | 西安交通大学 | 一种基于海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的制备方法 |
| CN103741260A (zh) * | 2014-01-13 | 2014-04-23 | 大连工业大学 | 双网络增强型海藻酸钙纤维及其制备方法 |
| CN111058124A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-24 | 东华大学 | 一种杂化交联透明离子导电有机水凝胶纤维的制备方法 |
-
2021
- 2021-09-15 CN CN202111079186.0A patent/CN115247292B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103396562A (zh) * | 2013-07-09 | 2013-11-20 | 西安交通大学 | 一种基于海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的制备方法 |
| CN103741260A (zh) * | 2014-01-13 | 2014-04-23 | 大连工业大学 | 双网络增强型海藻酸钙纤维及其制备方法 |
| CN111058124A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-24 | 东华大学 | 一种杂化交联透明离子导电有机水凝胶纤维的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络复合纤维的制备及性能研究;张鸿;徐海涛;焦玉龙;祝国富;邢阳阳;于跃;郭静;;合成纤维工业(04);38-41 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115247292A (zh) | 2022-10-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115247292B (zh) | 一种保湿抗冻双网络离子导电水凝胶纤维及其制备方法和应用 | |
| CN110085925B (zh) | 一种水系锌离子电池电解质膜及其制备和应用方法 | |
| Lu et al. | Recent progress in quasi-solid and solid polymer electrolytes for multivalent metal-ion batteries | |
| CN105670016A (zh) | 一种纤维素纳米晶体/壳聚糖复合膜的制备方法 | |
| CN108210940A (zh) | 医用导电水凝胶及其制备方法与应用 | |
| CN109125813A (zh) | 一种用于组织修复的导电粘附水凝胶制备方法及应用 | |
| CN109734842A (zh) | 一种透明导电柔性细菌纤维素复合材料及其制备方法 | |
| CN114606594B (zh) | 一种可拉伸性、弹性导电高分子基水凝胶纤维及其制备方法 | |
| CN110265232A (zh) | 一种可自愈水凝胶电解质薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN112126085B (zh) | 一种抗低温仿生导电水凝胶及其制备方法和应用 | |
| JP6684356B2 (ja) | 固体高分子電解質膜及びその製造方法 | |
| CN110629318A (zh) | 一种基于水凝胶光纤力学传感器及其制备方法 | |
| CN113638078B (zh) | 一种聚电解质复合物水凝胶纤维及其制备方法 | |
| CN113012947B (zh) | 一种水系固态电解质的制备方法及其应用 | |
| CN106684444A (zh) | 固态聚合物电解质膜 | |
| CN109585931A (zh) | 一种宽工作电压、柔性自修复的盐中水凝胶电解质及其制备方法 | |
| CN110055807A (zh) | 一种对位芳纶与氧化石墨烯/石墨烯复合纸的制备方法 | |
| CN111995770A (zh) | 一种物理联合网络水凝胶的制备方法 | |
| CN110563968A (zh) | 一种高强高拉伸的离子导电水凝胶的制备方法 | |
| Pahnavar et al. | Self-extinguished and flexible cation exchange membranes based on modified K-Carrageenan/PVA double network hydrogels for electrochemical applications | |
| CN109749441A (zh) | 一种基于一维纳米聚吡咯的导电水凝胶的制备方法 | |
| Xu et al. | A tough, anticorrosive hydrogel consisting of bio-friendly resources for conductive and electromagnetic shielding materials | |
| CN111312528A (zh) | 一种甲壳素再生水凝胶及其制备方法与应用 | |
| US12012488B2 (en) | Dual-network collagen-based supramolecular hydrogel and its preparation method | |
| US20230365760A1 (en) | Method for preparing multifunctional hydrogel by yeast fermentation |
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 |