一种多功能抗冻有机水凝胶、其制备方法及柔性电子器件

本发明涉及一种多功能抗冻有机水凝胶、其制备方法及柔性电子器件，属于材料科学领域。

背景技术：

1、近年来，可穿戴柔性电子产品的日益普及引发了人们对软导体的巨大需求。软导体在电子皮肤、超级电容器、可穿戴传感器、和软机器人等应用中获得了极大的关注。特别是具有三维交联亲水性聚合物网络的水凝胶引起了人们越来越多的研究兴趣。其特殊的网状结构使其具有高透明度、良好的可拉伸性和良好的生物相容性。例如，水凝胶含有高达90％的水，但它们有特定的形状和弹性，这是其固体的特性。韧性和弹性的共存使得水凝胶可以作为机械结构材料，这对在夹持器、阀门等领域的应用有很大的影响。此外，水凝胶中大量的水有利于各种物质的保存和运输，如营养物质和废物代谢产物。因此，水凝胶在伤口敷料、组织再生、和药物输送等领域具有广阔的潜在应用。此外，水凝胶还可以配备各种功能，包括导电性、刺激响应性、粘附性、自愈性等。这些功能可以很好地集成到水凝胶中，用于制备传感器和水凝胶电解质。尽管水凝胶具有丰富的迷人特性，但由于含水量高，使其不可避免地面临耐低温性差的明显缺点，阻碍了水凝胶在柔性电子产品和实际应用中在传感器中的应用。因为水凝胶在零度以下的温度下冻结后会失去许多优异的性能，包括导电性、透明度、柔韧性等。因此，降低液固相变温度是扩大水凝胶应用范围的有力手段，将有利于化学工程和材料科学界的发展。

2、为了确保基于水凝胶的装置在零度以下的温度下能够稳定运行，人们迫切需要良好的策略来构建具备抗冻功能的水凝胶。目前设计抗冻水凝胶的主流手段是将制备好的水凝胶浸泡在有机溶剂中，将有机溶剂引入到水凝胶中，从而增强凝胶的抗冻性能。这种方法制备简单，成本低。然而有机溶剂通常具有化学惰性，其中可移动离子的数量很少，所制备的凝胶通常表现出低导电率。另外，水凝胶在有机溶剂中浸泡一段时间后，体积会发生改变。这些现象极大限制了抗冻凝胶在柔性电子器件领域的应用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种多功能抗冻有机水凝胶、其制备方法及柔性电子器件，采用将甘油和水的混合溶液作为溶解单体的溶剂，通过一锅法制备抗冻型有机水凝胶，这种方法的制备流程更加简单，并且避免了凝胶收缩的问题。另外，为了解决有机水凝胶导电率低的问题，我们将硫酸铵引入到体系中，不仅显著提升了凝胶的导电率，而且大幅度改善了凝胶的力学性能。所制备的有机水凝胶在低温下仍然保持优异的力学性能和电学性能，克服了传统水凝胶在低温下无法正常使用的瓶颈。

2、本发明的技术方案是：

3、一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将甘油和去离子水倒入烧杯中混合搅拌，得到甘油/去离子水溶液，然后将丙烯酰胺单体、明胶、硫酸铵、交联剂、光引发剂倒入所述甘油/去离子水溶液中，加热搅拌，使所有物质完全溶解并混合均匀得到混合溶液；

5、(2)将所述混合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，用玻璃片进行密封，并冷藏储存，使混合溶液中的明胶无规链在低温下组装成三螺旋结构，形成明胶网络，得到预凝胶；

6、(3)将所述预凝胶置于紫外灯下照射，使其中的丙烯酰胺单体在光引发剂的作用下发生聚合反应，形成聚丙烯酰胺网络，得到多功能抗冻有机水凝胶。

7、进一步地，所述步骤(1)中，所述甘油用量为5－30ml，去离子水用量为5－30ml。

8、进一步地，所述步骤(1)中，所述丙烯酰胺、明胶、硫酸铵、交联剂、光引发剂用量为2－10g：2－8g：2－8g：2－10mg：20－50mg。

9、进一步地，所述步骤(1)中，所述丙烯酰胺、明胶、硫酸铵、交联剂、光引发剂用量为8g：4g：6.4g：8mg：40mg。

10、进一步地，所述步骤(1)中，所述交联剂为n，n’－亚甲基双丙烯酰胺，光引发剂为2－羟基－4＇－(2－羟乙氧基)－2－甲基苯丙酮。

11、进一步地，所述步骤(2)中，在2－6℃的冰箱中储存1－3h。

12、进一步地，所述步骤(3)中，将步骤(2)所得预凝胶放在紫外灯下照射0.5－3h。

13、一种多功能抗冻有机水凝胶，其特征在于：由所述的一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法制得。

14、一种基于所述的多功能抗冻有机水凝胶的柔性电子器件，将所述的多功能抗冻有机水凝胶、电池和固定电阻rf连接起来，形成一个闭环系统，作为柔性电子器件；在该闭环系统中，以固定电阻rf作为信号输出端，将多功能抗冻有机水凝胶的电阻变化转化为固定电阻rf的电压变化，输出电压v满足：

15、

16、其中e为电池电动势，r为多功能抗冻有机水凝胶的电阻变化。

17、因此，本发明提供以下的效果和/或优点：

18、我们以聚丙烯酰胺和明胶组成的双网络结构作为主要框架，并将甘油和硫酸铵引入其中，通过一锅法制备了一种导电的有机水凝胶(pgaoh)。如图2所示，所制备的pgaoh具有良好的力学性能，可以进行扭曲发生和打结拉伸，一小片pgaoh就可以拉起至少1kg的重物。另外，pgaoh具有形状可塑性，可以做成各种不同的形状，有利于产品的个性化设计。更重要的是，pgaoh具有良好的透明性，其下面的照片可以清楚地看到，这对于允许内部条件可视化的可穿戴传感器至关重要。即使在零下(－20℃)温度下，pgaoh仍保持良好的透明度，这是传统的水凝胶(paam)所不能做到的。与此同时，通过图3还可以发现，pgaoh具有优异的电学性能，如快速响应性、耐久性、高灵敏度，可以贴到身体的不同部位，利用pgaoh应变时的电信号变化来监测身体的运动。

19、本项发明集合了许多优点：制备简单，成本低，高导电率，高透明度，抗冻，优异的抗疲劳性，可塑性，显著的灵敏度。同时具备这么多功能的凝胶是非常少见的，我们相信本项发明能够为设计多功能柔性电子器件提供新的思路。

20、应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。

技术特征：

1.一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法，所述步骤(1)中，所述甘油用量为5－30ml，去离子水用量为5－30ml。

3.根据权利要求1所述的一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法，所述步骤(1)中，所述丙烯酰胺、明胶、硫酸铵、交联剂、光引发剂用量为2－10g：2－8g：2－8g：2－10mg：20－50mg。

4.根据权利要求1所述的一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法，所述步骤(1)中，所述丙烯酰胺、明胶、硫酸铵、交联剂、光引发剂用量为8g：4g：6.4g：8mg：40mg。

5.根据权利要求1所述的一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法，所述步骤(1)中，所述交联剂为n，n’－亚甲基双丙烯酰胺，光引发剂为2－羟基－4＇－(2－羟乙氧基)－2－甲基苯丙酮。

6.根据权利要求1所述的一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，冷藏温度为2－6℃，储存时间为1－3h。

7.根据权利要求1所述的一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法，其特征在于：所述预凝胶置于紫外灯下照射的时间为0.5－3h。

8.一种多功能抗冻有机水凝胶，其特征在于：由权利要求1－7任意一项所述的一种多功能抗冻有机水凝胶的制备方法制得。

9.一种基于多功能抗冻有机水凝胶的柔性电子器件，其特征在于：将权利要求8所述的多功能抗冻有机水凝胶、电池和固定电阻rf电连接形成闭环系统，得到柔性电子器件；在所述闭环系统中，以固定电阻rf作为信号输出端，将多功能抗冻有机水凝胶的电阻变化转化为固定电阻rf的电压变化，输出电压v满足：

技术总结
本发明提供了一种多功能抗冻有机水凝胶、其制备方法及柔性电子器件，以聚丙烯酰胺和明胶组成的双网络结构作为主要框架，并将甘油和硫酸铵引入其中，通过一锅法制备了一种导电的有机水凝胶(PGAOH)。所制备的PGAOH具有良好的力学性能，可以进行扭曲发生和打结拉伸，具有形状可塑性，可以做成各种不同的形状，还具有良好的透明性、抗冻性，即使在－20℃下，仍保持良好的透明度。与此同时，PGAOH具有优异的快速响应性、耐久性、高灵敏度，可以贴到身体的不同部位，利用PGAOH应变时的电信号变化来监测身体的运动。

技术研发人员：林友辉,余德帅,郭蓉蓉,朱水洪,易佳,王森,王涵淇,夏爽
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13