[发明专利]一种各向同性的高强韧有机水凝胶电解质及其制备方法

说明书

本发明涉及一种适用于制备各向同性(全方向)高强韧水凝胶电解质材料及其制备方法和应用，属于高分子材料领域。本发明提供一种高强韧有机水凝胶电解质的制备方法，所述制备方法为：以聚乙烯醇或聚乙烯醇/其他可溶性聚合物共混物作为基体，在溶剂和导电粒子的作用下，通过冷冻‑熔融的方式先制得水凝胶；再将该水凝胶通过拉伸定型制得各向同性的高强韧有机水凝胶电解；其中，所述溶剂为水和不挥发性溶剂的混合溶剂。本发明制备的凝胶电解质具有低内阻、高离子电导率、高强度和高力学性能的优点，同时也为高性能柔性储能器件的制备提供一种可靠的方法。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种适用于制备各向同性(全方向)高强韧水凝胶电解质材料及其制备方法和应用，具体涉及一种聚乙烯醇(PVA)为主要基体，使用冻融方法制备凝胶前驱体材料，然后使用双轴拉伸定型的方法对其进行增强增韧处理，可以获得耐疲劳和高强韧凝胶电解质，有效地应用于柔性电子等领域。

背景技术

近年来，柔性可穿戴/可植入设备因为其具有微型化、高灵活性和便携性等优点受到了广泛的关注，在作为5G、物联网、人工智能和医学健康等领域应用广泛。其中一个非常重要的研究领域就是柔性储能器件。在柔性器件中，在正负电极之间起到传输离子作用的凝胶电解质的性能对于器件柔性化和高性能化起到了至关重要的作用。传统的凝胶电解质材料有聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸(PAA)和聚丙烯酰胺(PAAM)等，这些凝胶电解质都存在力学性能差、脆性大的问题，极大程度的限制了器件的力学柔性和器件的稳定性。

因此，设计和制备一种力学性能优异、耐拉伸、耐疲劳的凝胶电解质是目前柔性电子学的重点和难点。

发明内容

本发明针对上述凝胶电解质存在的缺陷，采用多轴拉伸(如四向拉伸)定型的方式制备一种各向同性高强韧的有机水凝胶电解质，制备的凝胶电解质具有低内阻、高离子电导率、高强度和高力学性能的优点，同时也为高性能柔性储能器件的制备提供一种可靠的方法。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种高强韧有机水凝胶电解质的制备方法，所述制备方法为：以聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯醇/其他可溶性聚合物共混物作为基体，在溶剂和导电粒子的作用下，通过冷冻-熔融的方式先制得水凝胶；再将该水凝胶通过拉伸定型制得各向同性的高强韧有机水凝胶电解；其中，所述溶剂为水和不挥发性溶剂的混合溶剂。

进一步，所述拉伸定型的方法为：将水凝胶先在5～70℃下进行拉伸取向，拉伸比为0.5～8；然后定型，定型时间为0～100分钟。

优选的，所述拉伸比为1.6～8。

进一步，所述拉伸定型采用多轴拉伸的方法，即沿水凝胶的多个中心轴方向拉伸使其具有各向同性结构即可；水凝胶可以制备成任意形状，如长方形、正方形、圆形、三角形、五角形等，只要沿着水凝胶的多个中心轴的对称方向进行拉伸定型处理均可获得各向同性结构。

优选的，所述拉伸定型的方法中，拉伸前先将水凝胶制成正方形样条，然后沿其两个对角线方向均匀拉伸。

进一步，所述其他可溶性聚合物选自：海藻酸钠、可溶性纤维素、多糖类大分子、聚乙二醇或聚氧乙烯等。

优选的，所述可溶性纤维素为羟丙基纤维素、羟甲基纤维素或木质素等。

优选的，所述多糖类大分子为壳聚糖或甲壳素等。

更进一步，所述水凝胶的基体中，PVA与其他可溶性聚合物的质量比为：PVA：其他可溶性聚合物＝1：3～3：1。

进一步，所述不挥发性溶剂选自：乙二醇、丙三醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、乙胺、乙二胺、六甲基磷酰三胺、二甲胺或N-二甲基苯胺中的至少一种。本发明中，必须选用水和不挥发性溶剂的混合溶剂，否则拉伸后得到的水凝胶无法得到固定的各向异性结构。