一种高强度导电水凝胶纤维制备方法及其加工装置

本发明属于柔性材料，具体涉及一种高强度导电水凝胶纤维制备方法及其加工装置。

背景技术：

1、水凝胶作为一种软湿材料，在组织工程、储能设备和柔性电子等领域显示出巨大的应用潜力。水凝胶是一种可在水中膨胀的3d聚合物网络，该聚合物网络呈固体状，而水凝胶的水相使载体能够快速扩散，这表明水凝胶具有类似液体的传输特性。由于这些良好的特性，许多水凝胶具有生物相容性和柔软性。受限于模具加工方式，传统水凝胶常为三维块状凝胶或二维薄膜凝胶，机械性能和导电性较弱，无法满足日益增长的应用需求，如果将导电水凝胶制成具有有序排列的聚合物链的一维纤维，高强度导电水凝胶纤维机械性能和导电性将比传统的导电水凝胶薄膜和整体材料的性能增强很多。由于目前的导电水凝胶或其前体溶液的可纺性较差，导电水凝胶很少通过纺丝制成长纤维。因此具有良好的机械性能和优良的导电性的高强度导电水凝胶纤维对于可拉伸电子产品的开发是非常重要的。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的实施例提出一种高强度导电水凝胶纤维制备方法及其加工装置。

2、本发明实施例的高强度导电水凝胶纤维的加工装置，包括龙门架，龙门架上安装3d打印移动平台和无极变速滚筒，无极变速滚动位于3d打印移动平台的下方，3d打印移动平台在龙门架的悬臂梁上沿悬臂梁的长度方向做往复运动，3d打印移动平台的底部连接气动挤出喷头，气动挤出喷头的下方与无极变速滚筒相接触，所述3d打印移动平台、气动挤出喷头和无极变速滚筒均与计算机控制系统连接。

3、可选地，所述气动挤出喷头包括压力加载装置、本体和喷嘴，压力加载装置与本体连接，本体中储存凝胶材料，喷嘴位于本体下方，喷嘴与无极变速滚筒相接触。

4、可选地，所述压力加载装置为空压机、气动缸、储气罐或调压器。

5、可选地，所述无极变速辊筒表面覆盖离型膜。

6、本发明的高强度导电水凝胶纤维制备方法，采用本发明实施例的高强度导电水凝胶纤维的加工装置，制备方法包括以下步骤：

7、s1.取100ml碳纳米管(cnt)水溶液放入离心机中进行高速离心，将离心后的上层液体倒出；

8、s2.将离心管中的沉淀物放入100℃烘箱中进行干燥，经干燥三个小时后得到碳纳米管粉末；

9、s3.取10mg碳纳米管粉末搅拌溶解在去离子水中，超声作用2小时后得到1wt％的碳纳米管水溶液，直到碳纳米管完全分散；

10、s4.碳纳米管水溶液、lioh·h2o、koh、尿素按8：0.4：0.6：0.7比例混合配制成碱性碳纳米管水溶液，将配置后的碱性溶液放入冰箱冷藏；

11、s5.在预冷的碱性溶液中加入0.6g壳聚糖粉搅拌10分钟后冷冻直至完全冻结；

12、s6.将溶液室温解冻后，用磁性搅拌器搅拌10分钟后得到均匀溶液，壳聚糖碱性溶液在低温下(-20℃)冷冻解冻三次循环后，得到壳聚糖水溶液；

13、s7.将8g聚乙烯醇(pva)粉末浸泡在去离子水和甘油的混合溶剂中，水与甘油的比例为8:3，在室温下膨胀30分钟，然后在水浴锅中加热至90℃，在连续搅拌3小时下至完全溶解；

14、s8.关闭加热后，冷却至室温使用，pva浓度为15％wt；

15、s9.将cs/cnt(壳聚糖/碳纳米管)溶液与恢复到室温的pva溶液按cs/pva质量比1：2完全混合，以1000rpm离心除去气泡；

16、s10.将所得溶液移至离心管中储存，然后转移到-20℃环境冷冻30min；

17、s11.将储存有溶液的离心管取出，溶液常温下解冻后注入至气动挤出喷头本体中，将气动挤出喷头本体转移至无极变速滚筒上方，连接气动挤出喷头装置的喷头，将黑色水凝胶纤维挤出，得到预成型的pva-cs-cnt(聚乙烯醇-壳聚糖-碳纳米管)水凝胶纤维；

18、s12.将预成型的pva-cs-cnt水凝胶纤维转移至-20℃环境冷冻2小时后得到pva-cs-cnt水凝胶纤维。

19、所述步骤s3中去离子水的含量为10ml。

20、所述步骤s4中冰箱温度为-5℃，冷藏时间为10分钟。

21、本发明的高强度导电水凝胶纤维，采用本发明实施例的高强度导电水凝胶纤维制备方法制作，包括：水、碳纳米管、lioh·h2o、koh、尿素、壳聚糖、甘油和聚乙烯醇。

22、本发明实施例的高强度导电水凝胶纤维在应变传感器领域中的应用。

23、本发明实施例的有益效果是，本发明公开了一种高强度导电水凝胶纤维制备方法及其加工装置，具有制备简洁、方便、高效、安全和成型方便快捷、价格低廉等优点，可应用于各种水凝胶柔性传感器的制作。本发明采用pva(聚乙烯醇)和cnt(碳纳米管)粉末作为主要原料，将pva和cs/cnt(壳聚糖/碳纳米管)溶液混合后，经离心和冻融等预处理，制备成水凝胶溶液。基于挤出式3d打印装置，控制高强度导电水凝胶纤维的成型，并可将水凝胶纤维编织成不同结构。本发明提供的高强度导电水凝胶纤维可作为柔性应变传感器，应用人体生理信号检测，或应用于生物兼容性传感器，具有广泛应用前景。

24、相比于现有技术，本申请增加了冷冻处理工艺，可以提升水凝胶材料的机械力学性能。冷冻解冻交联是一种简单、有效的方法。冷冻解冻交联的原理是利用pva在低温下形成的晶体结构，通过解冻过程中晶体的热力学变化，使pva分子间形成交联结构。当pva溶液在低温下冷冻时，水分子会形成冰晶,而pva分子则会在冰晶之间形成网状结构。随着解冻过程的进行，冰晶逐渐融化，pva分子间的交联结构逐渐形成。最终，pva溶液中的pva分子形成了交联网络，从而提高了其力学性能和稳定性。

技术特征：

1.一种高强度导电水凝胶纤维的加工装置，其特征在于，包括龙门架，龙门架上安装3d打印移动平台和无极变速滚筒，无极变速滚动位于3d打印移动平台的下方，3d打印移动平台在龙门架的悬臂梁上沿悬臂梁的长度方向做往复运动，3d打印移动平台的底部连接气动挤出喷头，气动挤出喷头的下方与无极变速滚筒相接触，所述3d打印移动平台、气动挤出喷头和无极变速滚筒均与计算机控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的高强度导电水凝胶纤维的加工装置，其特征在于，所述气动挤出喷头包括压力加载装置、本体和喷嘴，压力加载装置与本体连接，本体中储存凝胶材料，喷嘴位于本体下方，喷嘴与无极变速滚筒相接触。

3.根据权利要求2所述的高强度导电水凝胶纤维的加工装置，其特征在于，所述压力加载装置为空压机、气动缸、储气罐或调压器。

4.根据权利要求2所述的高强度导电水凝胶纤维的加工装置，其特征在于，所述无极变速辊筒表面覆盖离型膜。

5.一种高强度导电水凝胶纤维制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的高强度导电水凝胶纤维的加工装置，制备方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的高强度导电水凝胶纤维制备方法，其特征在于，所述步骤s3中去离子水的含量为10ml。

7.根据权利要求5所述的高强度导电水凝胶纤维制备方法，其特征在于，所述步骤s4中冰箱温度为-5℃，冷藏时间为10分钟。

8.一种高强度导电水凝胶纤维，其特征在于，采用权利要求5所述高强度导电水凝胶纤维制备方法制作，包括：水、碳纳米管、lioh·h2o、koh、尿素、壳聚糖、甘油和聚乙烯醇。

9.根据权利要求8所述的高强度导电水凝胶纤维在应变传感器领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种高强度导电水凝胶纤维制备方法及其加工装置，具有制备简洁、方便、高效、安全和成型方便快捷、价格低廉等优点，可应用于各种水凝胶柔性传感器的制作。本发明采用PVA(聚乙烯醇)和CNT(碳纳米管)粉末作为主要原料，将PVA和CS/CNT(壳聚糖/碳纳米管)溶液混合后，经离心和冻融等预处理，制备成水凝胶溶液。基于挤出式3D打印装置，控制高强度导电水凝胶纤维的成型，并可将水凝胶纤维编织成不同结构。本发明提供的高强度导电水凝胶纤维可作为柔性应变传感器，应用人体生理信号检测，或应用于生物兼容性传感器，具有广泛应用前景。

技术研发人员：邱京江,郭钟伟,徐省,余文龙,胡月,卫荣汉,聂帮帮,王文,张玉东
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17