[发明专利]一种液态金属水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种液态金属水凝胶及其制备方法和应用，其解决了现有水凝胶制备方法中反应速度慢、固化时间长的技术问题，其含有如下质量百分比的组分：聚合物20％～60％，引发剂0.2％～5％，催化剂0.04％～1％，余量为水。本发明同时提供其制备方法和应用。本发明可用于水凝胶材料的制备领域。

技术领域

本发明涉及一种水凝胶及其制备方法和应用，具体地说，涉及一种液态金属水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

随着电子技术的迅速发展，越来越多的电子设备向着小型化、柔性化和可穿戴的方向发展。柔性可穿戴设备已在各领域受到广泛关注和研究，包括在能量存储设备、人体运动检测、健康医疗、人工智能、软机器人等方面都显示出巨大的市场潜力。而其中面向人工智能和健康监控的柔性可穿戴传感器，以其高灵敏度、快响应性、便携性、使用舒适性等特点已经成为科研工作者们研究的热点，激发了国内外研究人员对柔性可穿戴电子传感器的研究和开发。

水凝胶是由聚合物在水溶液中通过物理交联或者化学交联形成的一种具有三维网络结构的弹性体材料。因其具有柔性、保水性、导电性、组织相似性和生物相容性等优良的性能，所以在柔性传感器领域具有重要的应用价值。

但是，传统水凝胶仍然存在着许多缺点，因而不能满足其应用要求，具体表现在：1、采用化学交联法制备的水凝胶会受到不可逆的破坏；采用物理交联法制备的水凝胶虽然可以自修复，但是大多数力学性能都很差，不能满足实际应用需求；2、采用传统化学方法制备水凝胶时，通常采用的是自由基聚合。聚合体系中要加入引发剂和交联剂，且聚合反应要在加热条件下保护气氛(氮气或氩气)中进行，反应时间长、效率低、设备搭建复杂、后处理繁琐，不利于工业化生产。

液态金属是近年来人们发现的一种新型液态合金材料，其组成通常包括镓铟锡三种元素中的一种或几种。与水银相比，由于其具有无毒、高电导率(可达到3.46×10⁶S/m)、高沸点(可达到1300℃)、高热导率(可达到16.5W/mK)和低蒸气压(在500℃时，其蒸气压小于10^-6Pa)等特点，因而可以代替水银应用于各种器件中，例如温度计、冷却系统、能量采集器、可延展和柔性电子器件、可调谐电子器件等。此外，将液态金属纳米微球与柔性聚合物共混，可以制备出具有优异导电、导热以及柔性的聚合物功能复合材料。最新研究表明，液态金属在超声场作用下产生的纳米微球可以在室温、空气氛围下直接引发水溶性单体聚合形成水凝胶材料，该方法不采用任何小分子引发剂，因此避免了体系中杂质的引入。

但是，该方法存在着一些缺点。该聚合反应速率很慢，在体系粘度增大、开始凝胶之前，较大密度的液态金属纳米微球会逐渐沉降，所以无法制备出液态金属均匀分散在基体中的水凝胶材料。此外，该方法制备的水凝胶固化时间一般大于7天，不利于工业化生产。

发明内容

本发明针对在现有水凝胶制备方法中反应速度慢、固化时间长的技术问题，提供一种反应速度快、固化时间短的液态金属水凝胶及其制备方法和应用。

为此，本发明提供一种液态金属水凝胶，其含有如下质量百分比的组分：聚合物20％～60％，引发剂0.2％～5％，催化剂0.04％～1％，余量为水；所述聚合物采用水溶性单体为原料，使用液态金属引发剂和催化剂制备而成；所述水溶性单体为丙烯酰胺、丙烯酸、N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸钠、对苯乙烯磺酸钠、N,N-二甲氨基丙烯酸甲酯中的一种或多种；所述液态金属引发剂为镓、铟、锡三种元素中的一种或几种；所述催化剂为氧化石墨烯及其官能化衍生物，包括氧化石墨烯、氨基化氧化石墨烯、羧基化氧化石墨烯、氟化氧化石墨烯、多巴胺包覆氧化石墨烯、聚苯胺接枝氧化石墨烯、聚吡咯接枝氧化石墨烯、聚3,4-乙烯二氧噻吩接枝氧化石墨烯中的一种或多种。

本发明同时提供一种液态金属水凝胶的制备方法，其包括如下步骤：