[发明专利]一种纤维素基离子凝胶的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种具有高离子电导性、自粘附、自修复、抗冻性及机械强度优的纤维素基离子凝胶的制备方法及应用。本发明以咪唑型离子液体为原料，与丙烯酰胺混合后加热搅拌得到一种新型低共熔溶剂，经分步溶解法，先将纤维素溶解于咪唑型离子液体中，再与制备好的低共熔溶剂充分混合，在紫外光照射下通过光引发剂光反应交联固化制备得到纤维素基离子凝胶。本发明制备的离子凝胶不仅具有良好的机械性能（拉伸应力高达1.02MPa），还具有良好的韧性和自修复性，同时低共熔溶剂作为分散介质使得凝胶具有优良的导电性能（室温下电导率可达0.41mS/cm）、抗冻性能（能在‑20℃下保持稳定性能）、自粘附性以及出色的应变灵敏性，在柔性电子器件领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于离子凝胶技术领域，涉及一种具有高离子电导性、自粘附、自修复、抗冻性及机械强度优的纤维素基离子凝胶的制备方法及应用。

背景技术

离子液体是一种具有良好导电性和热稳定性的室温熔融盐，其可以充当一种绿色溶剂用于有机高分子材料的合成，如在凝胶领域，离子液体作为一种优良的导电分散介质，可以通过将聚合单体分散在离子液体中聚合或者聚离子液体自身聚合来合成离子凝胶，相比于传统水凝胶而言，离子凝胶具有优良的导电性、粘弹性、热稳定性、机械性能以及抗疲劳性，在近些年受到了越来越多的关注和研究。离子液体作为溶剂也有一定的缺陷，因为大部分离子液体的粘度较大，流动性差，甚至在室温下为固体，这就为的聚合物的溶解以及成胶后在低温下的应用造成了一定困难。而低共熔溶剂的出现就很好的解决了这些问题，低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvent, DES)作为一种新型离子液体，是氢键受体(HBA)和氢键供体(HBD)在较高的温度下混合制备的共晶混合物，具有蒸汽压低、溶解性好、电化学稳定窗口宽等离子液体的性质，也具备制备简单、无毒性、熔点低、可生物降解等独特的性质，这就为合成凝胶提供了一种良好的溶剂选择。在凝胶的合成中低共熔溶剂作为分散介质分散于高分子聚合物的三维网络结构中既可以与聚合物之间构建氢键结合体系，提高凝胶的稳定性、粘附性，又可以大幅度降低凝胶的熔点，从而提高凝胶的抗冻性且丰富了极端环境下的实际应用性，因此低共熔溶剂可以作为合成凝胶的一种优良溶剂。

目前随着石油基材料的污染以及石油资源的日益枯竭，生物质资源备受关注，生物质材料与凝胶的结合更是一大亮点。纤维素作为自然界中含量最为丰富的天然资源之一，具有来源广泛、生物相容性好以及可再生可降解的特点，在很多领域都有较为广阔的应用前景。在凝胶领域，以纤维素为基础的功能性凝胶越来越受到重视，相比于以石油加工品为原料合成的凝胶，纤维素基凝胶更加绿色、经济、环保，符合可持续发展的理念。然而目前报道的大多数以氯化胆碱为氢键受体合成的低共熔溶剂或聚低共熔溶剂(PDES)对于生物质材料的溶解效果较差，本发明采用两步法溶解纤维素，即首先以咪唑型离子液体为氢键受体，丙烯酰胺为氢键供体合成出低共熔溶剂，并且用咪唑型离子液体溶解纤维素，后将溶解好的纤维素溶液与低共熔溶剂充分混合，从而实现了纤维素在低共熔溶剂中的溶解。由于纤维素分子结构中含有大量羟基，能够和作为溶剂的离子液体中的极性基团形成丰富的氢键，进而构建牢固的凝胶体系，提高凝胶的机械性能、韧性和自修复性能，使得制备的离子凝胶性能得到明显提升。

柔性应变传感器的工作原理是将外界的刺激信号转换为可识别的电信号，而离子凝胶作为一种柔性材料具有优良的离子导电性、应变灵敏性和柔韧性，可以在不借助外力的情况下轻易地粘附于人体表皮，因此可以作为可穿戴式应变传感器用于监测穿戴者身体运动的细微变化，并且在智能机器人、电子皮肤、医学健康监测和可穿戴电子等领域具有广阔的应用前景。纤维素基离子凝胶作为一种柔性功能高分子材料，具有良好的柔韧性、粘附性、生物相容性、抗疲劳性、工作稳定性、响应速度以及自愈性和自恢复性能，这些性能使得其成为柔性应变传感器的理想材料。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种纤维素基离子凝胶的制备方法。该发明制备出的离子凝胶具有良好的导电性、自粘附、自修复、抗冻性以及生物相容性等，在人体运动监测时显示出良好拉伸性、柔韧性以及灵敏度，可以轻易地粘附在人体关节处的皮肤上，实现人体关节处大应变和微小应变的人体运动实时监测。