[发明专利]一种3D打印水凝胶的制备方法及制备的水凝胶应用

说明书

本申请公开了一种3D打印水凝胶的制备方法，其特征在于，包括：获得含有纳米黏土的凝胶预聚液，3D打印，聚合，得到3D打印水凝胶。制备得到的水凝胶为一种响应性高强度3D打印导电水凝胶，用于柔性传感器及可穿戴器件。

技术领域

本申请涉及一种响应性高强度3D打印导电水凝胶及其制备方法，具体涉及一种采用纳米黏土为增强体系与响应性聚合物网络得到复合凝胶，同时通过导电高分子掺杂制备得到响应性高强度3D打印导电水凝胶的方法，属于高分子水凝胶技术领域。

背景技术

高分子水凝胶材料是一类内部含有大量水的三维聚合物网络。其中，导电水凝胶作为功能性凝胶的一种，由于其固有的柔性以及导电性在柔性传感器、可穿戴器件等领域得到实际的应用。但是，目前的基于导电凝胶的柔性电子器件都存在着制备繁琐、多功能单元整合复杂的问题，使得其在未来应用中受到很大的限制。3D打印在材料的制造中提供许多优点，包括高精度，低成本和结构定制等，为导电凝胶电子器件的复杂制造提供可行性。目前，可打印的导电凝胶在机械性能和感应性能上仍存在较大问题，不满足实际应用的需求。因此，该领域迫切需要具有应变感应的可打印高强度导电水凝胶。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种响应性高强度3D打印导电水凝胶的制备方法。采用纳米黏土形成离子交联网络用于增强凝胶，同时采用聚丙烯酰胺和功能性单体共聚得到黏土网络与化学交联网络互穿且紧密结合的高强度水凝胶，得到的凝胶进一步通过导电聚合物掺杂得到高强度导电水凝胶。含有纳米黏土的凝胶预聚液具备优异的剪切变稀线性，且在聚合物网络未成型之前已依靠自身的离子作用形成较强的无机凝胶可用于3D打印。通过3D打印技术，制备预设结构的导电水凝胶，再进行聚合物单体引发，得到结构可设计的导电凝胶应变传感器，用于下一步的可穿戴器件制备。

其中功能性单体包括各种响应性单体，根据单体的不同为凝胶提供不同的响应条件，包括pH响应、温度响应等。当凝胶受到外界刺激时，响应性单体共聚得到的聚合物网络收缩，进一步影响与其结合的导电聚合物网络，进而改变凝胶电性能，表现出响应性。

其中纳米黏土在体系中不仅提供预聚液的可打印性，而且依靠黏土与聚合物网络上氨基之间的静电作用增强凝胶，为凝胶提供绝佳的耐疲劳性。导电聚合物在凝胶中通过静电以及氢键作用于纳米黏土与绝缘聚合物网络相互贯穿在一起也为凝胶提供优异的机械性能。同时，导电聚合物的存在为凝胶提供了联通完整的导电网络，使得凝胶具有较好的导电性。此外，导电聚合物网络在应力作用下会首先断裂，使得导电网络受损，导致凝胶导电性能下降，还可以实现凝胶的应变感应。

所述3D打印水凝胶的制备方法，其特征在于，包括：

获得含有纳米黏土的凝胶预聚液，3D打印，聚合，得到3D打印导电水凝胶。

可选地，所述方法包括：

获得含有纳米黏土的凝胶预聚液，3D打印，聚合I，获得的水凝胶置于含有导电聚合物单体的溶液中，聚合II，得到所述3D打印水凝胶。

可选地，所述3D打印水凝胶为3D打印导电水凝胶。

可选地，所述3D打印导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括：

获得含有纳米黏土的凝胶预聚液，3D打印，聚合I，获得的水凝胶置于含有导电聚合物单体的溶液中，聚合II，得到所述3D打印导电水凝胶。

可选地，所述凝胶预聚液中包括：丙烯酰胺，响应性单体和纳米黏土。

可选地，所述凝胶预聚液中丙烯酰胺的浓度为1～3mol/L；

所述凝胶预聚液中响应性单体的浓度为0.5～2mol/L；

所述凝胶预聚液中纳米黏土的浓度为2～12wt/vol％。