一种基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶及其制备方法与应用
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202410163576.3 | 申请日 | 2024-02-05 |
| 公开(公告)号 | CN117946420A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 曲阜师范大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 李楠; 邱丽媛; 陈威; | 第一发明人 | 李楠 |
| 权利人 | 曲阜师范大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 曲阜师范大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：山东省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：山东省济宁市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：山东省济宁市曲阜市静轩西路57号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：273165 |
| 主IPC国际分类 | C08J3/075 | 所有IPC国际分类 | C08J3/075 ; A61B5/11 ; A61B5/00 ; C08L5/00 ; C08L65/00 ; C08L97/00 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 9 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 专利代理人 | ||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于聚(3,4‑乙烯二 氧 噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶及其制备方法与应用。首先以咪唑型 离子液体 为氢键受体、甘油为氢键供体制备共熔离子液体；其次以3,4‑乙烯二氧噻吩为 单体 、木质素磺酸钠为分散剂和 掺杂剂 制备聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液；然后将阳离子瓜尔胶加入到共熔离子液体/ 水 混合溶液中，依次滴加聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和氢氧化钠溶液；最后快速搅拌，得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。本发明所制备的离子凝胶具有优异的 导电性 、自修复性、抗冻性和保水性。基于该离子凝胶的多功能 传感器 在柔性可穿戴设备领域具有广泛的应用前景。 | ||
| 权利要求 | 1.一种基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： |
||
| 说明书全文 | 一种基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶及其制备方法与应用 技术领域[0001] 本发明属于离子凝胶材料技术领域，具体涉及一种基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶及其制备方法与应用。 背景技术[0002] 近年来，柔性传感器以其导电性高、灵活性好、自修复能力和触觉感知能力强等优点受到了广泛的关注和研究。基于导电聚合物的离子凝胶兼具导电聚合物的高导电性和离子凝胶良好的自修复性和生物相容性等独特优势，是开发可穿戴电子器件的最佳材料选择之一。在导电聚合物中，聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)(PEDOT)因其优异的化学稳定性、导电性和柔韧性，广泛应用于柔性电子领域。使用木质素磺酸钠(LS)可以实现PEDOT的有效掺杂，提高PEDOT的分散性和导电性。聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠(PEDOT/LS)由于具有优异的导电性和生物相容性，已被应用于太阳能电池、超级电容器、生物传感器等领域。 [0003] 离子液体是由有机阳离子和有机或无机阴离子构成的在室温下呈液态的有机盐，基于离子液体的离子凝胶由于其具有高离子电导率、优异的热/电化学稳定性以及可设计性，成为许多柔性器件的重要材料。然而，咪唑型离子液体存在粘度高、流动性差、低温下呈固体状等缺点。共熔离子液体有着与离子液体相似的性质，如低饱和蒸气压、高溶解度、高热化学稳定性、结构可调节、功能可定制等，可以有效解决传统咪唑型离子液体的缺点。Li等人(Int. J. Biol. Macromol. 2024, 257, 128434)在1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐/尿素(AmimCl/urea)共熔离子液体体系中，通过氯化铁、原儿茶醛和壳聚糖之间的双动态键交联设计了一系列共析凝胶，AmimCl与尿素混合后，熔点降低、粘度减小，从而制备了具有良好抗冻性和导电性的共析凝胶。 [0004] 阳离子瓜尔胶是一种用季铵基取代部分羟基的改性瓜尔胶，由于其易于获得和低成本，可用于许多行业。与天然瓜尔胶相比，阳离子瓜尔胶具有更好的溶解度和热稳定性。阳离子瓜尔胶侧链中含有的半乳糖单元可以与水分子相互作用，增加溶液的粘度，从而诱导胶凝。此外，季铵基团的引入赋予瓜尔胶阳离子特性，使其能够与各种带负电荷的基团和阴离子建立离子相互作用。阳离子瓜尔胶在水溶液溶解缓慢，加入酸性的PEDOT/LS之后，体系中存在的氢离子可以与羟基和水分子形成相互作用，使阳离子瓜尔胶快速溶解。此外，PEDOT/LS具有许多带负电荷的磺酸基，可以与阳离子瓜尔胶产生静电相互作用，使PEDOT/LS附着在阳离子瓜尔胶链上。分子链被水合氢离子包裹，由于空间位阻和静电斥力，阻碍了羟基的分子间作用，加入碱中和多余的水合氢离子后，分子链中羟基与水分子或水合氢离子之间的氢键被打开，暴露出同侧羟基。在不断搅拌的情况下，同侧羟基之间的氢键不断增加，形成足够强的力诱导快速凝胶化。杨光等人(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002370)用阳离子瓜尔胶和聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT/PSS)研制了一种可注射的、生物相容性的、可自修复的导电水凝胶PPGS，可用于各种运动伤口的愈合。 但是，将离子液体与导电聚合物结合，制备基于导电聚合物的离子凝胶，目前还鲜有报道。 发明内容[0005] 本发明的目的之一在于提供一种基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶及其制备方法与应用，所制备出的离子凝胶具有良好的导电性、自修复性、抗冻性和保水性。 [0006] 本发明的目的之二在于提供上述基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶多功能传感器。 [0007] 本发明的目的之三在于提供上述基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶多功能传感器在人体活动监测中的应用，所述人体活动信号的监测包括握拳、书写、手指弯曲、点击鼠标等运动，但不限于上述监测特征内容。 [0008] 本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶的制备方法，具体步骤包括：(1)将氢键受体离子液体和氢键供体甘油按一定比例混合，加热搅拌至溶液呈透明均一状，得到共熔离子液体； (2)将3,4‑乙烯二氧噻吩、木质素磺酸钠、氧化剂和水混合，进行聚合反应，得到聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液； (3)将阳离子瓜尔胶粉末加入到共熔离子液体与水的混合溶液中，依次滴加聚(3, 4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和氢氧化钠溶液； (4)快速搅拌，得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。 [0009] 作为优选，步骤(1)中，氢键受体和氢键供体分别为1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和甘油，摩尔比为4:1，加热温度为90℃，加热时间为2h。 [0010] 作为优选，步骤(2)中，氧化剂为过硫酸铵。 [0011] 作为优选，步骤(3)中，共熔离子液体与水的质量比为1:4。 [0012] 作为优选，步骤(3)中，阳离子瓜尔胶的质量分数为5%。 [0013] 一种基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶，通过上述制备方法制备得到。 [0014] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：1.制备过程中，将导电性的聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液作为酸性成分引入制备体系将凝胶功能化，通过酸促进水合、碱促进凝胶化两步法实现了离子凝胶的快速制备。 [0015] 2.本发明制备的共熔离子液体流动性好、熔点低，室温下呈液体，体系粘度明显低于单一的离子液体，有利于后续加工和使用。 [0016] 3.本发明制备的基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶具有良好的自修复性能，大大提高了离子凝胶的使用寿命。 [0017] 4.本发明制备的基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶的电导率由导电聚合物和离子液体共同提供，即使在低温下也具有良好的导电性。 [0019] 图1为氢键受体1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和氢键供体甘油反应的化学结构式。 [0020] 图2为导电聚合物聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的合成示意图。 [0021] 图3为1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐/甘油共熔离子液体、聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠、阳离子瓜尔胶和离子凝胶的傅里叶变换红外光谱(FT‑IR)图。 [0022] 图4为不同共熔离子液体含量的离子凝胶差示扫描量热性能分析(DSC)图。 [0023] 图5为不同共熔离子液体含量的离子凝胶在20℃、50%相对湿度的条件下放置15天的质量变化曲线图。 [0024] 图6为不同共熔离子液体含量的离子凝胶电导率图。 [0025] 图7为基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶电自愈行为示意图。 [0027] 图9为基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶多功能传感器附着在鼠标上的压力传感曲线图。 具体实施方式[0028] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。 [0029] 实施例1首先将1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和甘油以摩尔比3:1的比例混合，在90℃的条件下加热搅拌2h得到澄清透明的共熔离子液体，冷却至室温备用；其次将3,4‑乙烯二氧噻吩、木质素磺酸钠、过硫酸铵和水混合，进行聚合反应，得到聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液；然后将0.25g阳离子瓜尔胶粉末加入到1g共熔离子液体与4g去离子水的混合溶液中，依次滴加417μL聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和84μL氢氧化钠溶液；最后快速搅拌,得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。 [0030] 实施例2首先将1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐和甘油以摩尔比3:1的比例混合，在90℃的条件下加热搅拌2h得到澄清透明的共熔离子液体，冷却至室温备用；其次将3,4‑乙烯二氧噻吩、木质素磺酸钠、过硫酸铵和水混合，进行聚合反应，得到聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液；然后将0.25g阳离子瓜尔胶粉末加入到1g共熔离子液体与4g去离子水的混合溶液中，依次滴加417μL聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和84μL氢氧化钠溶液；最后快速搅拌，得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。 [0031] 实施例3首先将1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和甘油以摩尔比4:1的比例混合，在90℃的条件下加热搅拌2h得到澄清透明的共熔离子液体，冷却至室温备用；其次将3,4‑乙烯二氧噻吩、木质素磺酸钠、过硫酸铵和水混合，进行聚合反应，得到聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液；然后将0.25g阳离子瓜尔胶粉末加入到1g共熔离子液体与4g去离子水的混合溶液中，依次滴加417μL聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和84μL氢氧化钠溶液；最后快速搅拌，得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。 [0032] 实施例4首先将1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和甘油以摩尔比4:1的比例混合，在85℃的条件下加热搅拌2h得到澄清透明的共熔离子液体，冷却至室温备用；其次将3,4‑乙烯二氧噻吩、木质素磺酸钠、过硫酸铵和水混合，进行聚合反应，得到聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液；然后将0.25g阳离子瓜尔胶粉末加入到1g共熔离子液体与4g去离子水的混合溶液中，依次滴加417μL聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和84μL氢氧化钠溶液；最后快速搅拌，得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。 [0033] 实施例5首先将1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和甘油以摩尔比4:1的比例混合，在90℃的条件下加热搅拌1h得到澄清透明的共熔离子液体，冷却至室温备用；其次将3,4‑乙烯二氧噻吩、木质素磺酸钠、过硫酸铵和水混合，进行聚合反应，得到聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液；然后将0.15g阳离子瓜尔胶粉末加入到1g共熔离子液体与4g去离子水中，依次滴加 250μL聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和50μL氢氧化钠溶液；最后快速搅拌，得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。 [0034] 实施例6首先将1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和甘油以摩尔比4:1的比例混合，在90℃的条件下加热搅拌2h得到澄清透明的共熔离子液体，冷却至室温备用；其次将3,4‑乙烯二氧噻吩、木质素磺酸钠、过硫酸钠和水混合，进行聚合反应，得到聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液；然后将0.25g阳离子瓜尔胶粉末加入到1g共熔离子液体与3g去离子水中，依次滴加 417μL聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和84μL氢氧化钠溶液；最后快速搅拌，得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。 [0035] 实施例7首先将1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和甘油以摩尔比4:1的比例混合，在90℃的条件下加热搅拌2h得到澄清透明的共熔离子液体，冷却至室温备用；其次将3,4‑乙烯二氧噻吩、木质素磺酸钠、过硫酸钠和水混合，进行聚合反应，得到聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液；然后将0.25g阳离子瓜尔胶粉末加入到1g共熔离子液体与4g去离子水中，依次滴加 417μL聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和84μL氢氧化钠溶液；最后快速搅拌，得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。将铜导线连接到离子凝胶的两端，用构建基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶多功能传感器。图8展示了本实施例制备的基于该离子凝胶的多功能传感器用于监测人体活动的图，将该传感器固定在手腕上并进行握拳/放松，“M”形曲线展现了手部的抓握和释放。 [0036] 实施例8首先将1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和甘油以摩尔比4:1的比例混合，在90℃的条件下加热搅拌2h得到澄清透明的共熔离子液体，冷却至室温备用；其次将3,4‑乙烯二氧噻吩、木质素磺酸钠、过硫酸钠和水混合，进行聚合反应，得到聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液；然后将0.25g阳离子瓜尔胶粉末加入到1g共熔离子液体与4g去离子水中，依次滴加 417μL聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠溶液和84μL氢氧化钠溶液；最后快速搅拌，得到基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶。将铜导线连接到离子凝胶的两端，用构建基于聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)/木质素磺酸钠的离子凝胶多功能传感器。图9展示了本实施例制备的基于该离子凝胶的多功能传感器用于压力监测的图，将该传感器固定到鼠标的左键上，当手指点击鼠标时，可实时监测电信号的变化。 |
||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈