[发明专利]一种基于双向冷冻构筑各向异性导电水凝胶的方法

说明书

本发明公开了一种基于双向冷冻构筑各向异性导电水凝胶的方法，首先将海藻酸钠与银纳米线混合均匀，再通过双向冷冻的方法形成长程有序的具有层状结构的银纳米线‑海藻酸钠气凝胶基底，后向气凝胶中加入单体和交联剂构筑成具有层状结构的水凝胶，由于气凝胶壁内有银纳米线的存在以及在后续灌装水凝胶后，初始气凝胶的结构并没有被破坏，因此制备得到的水凝胶具有良好的导电性，又由于水凝胶具有长程有序的层状结构，因此平行于层状方向和垂直于层状方向的应力也有差异，进而表现出各向异性性能。

技术领域

本发明涉及一种基于双向冷冻构筑各向异性导电水凝胶的方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

随着环保需求不断增加，以水为主要成分的水凝胶正在日益成为可持续发展材料的优秀候选者，水凝胶是一种含水的具有三维网络结构的材料，并且由于其天然的柔性以及优异的机械性能，是未来人造生物材料的有力竞争者。同时，随着人们对电子产品的要求不断增加，发展柔性可弯曲电子器件已成为主流共识，将导电材料与水凝胶这类机械性能优异的材料相结合是发展柔性导电材料的一个重要方向，而银纳米线是一种电导率异常优异的导电纳米材料，将银纳米线与水凝胶复合是解决柔性导电材料的一个重要途径。

生物组织中的肌肉以及肌腱等生物组织，由于其结构具有高度的有序各向异性结构，因而往往具有更加优异的性能，同时某些领域也对导电材料提出了具有各向异性的要求。从构筑有序的结构出发来实现材料的各向异性是一条基本途径，而双向冷冻取向是构筑有序结构的一条有效方法。本发明通过双向冷冻得到长程有序、导电性能优异的银纳米线-海藻酸钠气凝胶，并对该气凝胶进行灌装进而得到具有各向异性的导电水凝胶，从而赋予了其在一些特殊环境需求下的应用。

发明内容

本发明旨在提供一种基于双向冷冻构筑各向异性导电水凝胶的方法。本发明通过双向冷冻银纳米线-海藻酸钠的方法形成长程有序的三维层状网络结构，然后通过灌装水凝胶引入水凝胶网络，获得的导电水凝胶具有优异的导电性，压缩应力各向异性等性能。

本发明基于双向冷冻构筑各向异性导电水凝胶的方法，首先将海藻酸钠与银纳米线混合均匀，再通过双向冷冻的方法形成长程有序的具有层状结构的银纳米线-海藻酸钠气凝胶基底，后向气凝胶基底中加入单体和交联剂构筑成具有层状结构的水凝胶。由于气凝胶壁内有银纳米线的存在以及在后续灌装水凝胶后，初始气凝胶的结构并没有被破坏，因此制备得到的水凝胶具有良好的导电性，又由于水凝胶具有长程有序的层状结构，因此平行于层状方向和垂直于层状方向的应力也有差异，进而表现出各向异性性能。

本发明基于双向冷冻构筑各向异性导电水凝胶的方法，包括如下步骤：

步骤1：合成银纳米线。首先将5.86g M_w＝40000的聚乙烯吡咯烷酮加入190ml的丙三醇溶液中，搅拌均匀后于微波中加热10min使聚乙烯吡咯烷酮完全溶解；然后降温到室温，倒入250ml的三颈烧瓶中，再依次向其中加入1.58g硝酸银、10ml丙三醇以及配制好的0.5ml去离子水59mg氯化钠的混合溶液，随后20min升温到210℃，同时控制搅拌速率为50rpm；待反应完成后，倒入500ml的烧杯中，加入等体积的去离子水，降温后离心两次，分散定容。

步骤1中，所合成的银纳米线长度为7-15μm，直径为60-100nm；

步骤2：取1.2g海藻酸钠粉末置于50ml烧杯中，再加入30ml去离子水，后进行8h的磁力搅拌，即得40mg/ml的海藻酸钠均匀溶液。

步骤3：取20ml质量浓度为40mg/ml的银纳米线以及20ml质量浓度为40mg/ml的海藻酸钠溶液，将两者溶液混合磁力搅拌30min，将混合均匀后的溶液置于双向冷冻模具中，调节冷冻速率为14μm/min，待溶液完全冻结后于冷冻干燥机中冷冻干燥48h，冷冻温度为-40℃。取出即为银纳米线-海藻酸钠气凝胶基底。