一种木质素基导电自愈合水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种木质素基导电自愈合水凝胶及其制备方法和应用，包括如下步骤：将环糊精、碱木质素、聚乙烯醇均匀溶解于硼砂水溶液中形成均匀的混合物料，然后调节pH值为碱性，得到粘稠物料，再进行冷冻处理，最终得到均匀且稳定的木质素基导电自愈合水凝胶；所述环糊精、所述碱木质素、所述聚乙烯醇、所述硼砂的质量比为1:(0.5

【技术实现步骤摘要】
一种木质素基导电自愈合水凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及高分子材料
，具体涉及一种木质素基导电自愈合水凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]木质素是地球上仅次于纤维素的第二大生物质聚合物。木质素是造纸的大量生产和新兴的纤维素乙醇工业的副产品。由于化石燃料的大量消耗及其对环境的负面影响，木质素已被选作基于化石燃料的产品的潜在替代品。木质素独特的结构性能使其具有独特的特性，但由于其结构复杂，导致天然木质素的提取和利用仍存在困难，同时由于木质素的电荷效应，与其他所用材料共混团聚，形成较大的颗粒，阻碍了复合材料的性能。因此，虽然每年生产5000多万吨木质素，但用于增值目的的不到2％，包括混凝土添加剂、稳定剂、分散剂和表面活性剂，其余用作低级燃烧燃料，造成了木质素的严重浪费。
[0003]水凝胶是一种具有一定交联度的三维网络聚合物，水凝胶分子中含有大量亲水基团，对水有很强的亲和力，能溶胀而不溶于水，并且具有很强的保水能力，即使在挤压、拉伸等外界因素的作用下，仍能保持其内部失水。另外，水凝胶由于其独特的物理化学性质，如力学性能可调、柔软、摩擦系数低、可塑性高等，近十年来，水凝胶被广泛应用于药物控释、软组织工程、材料、废水处理、传感器、人工皮肤等多个领域。
[0004]自愈材料是一种新兴的材料，可以识别损伤并进行自我修复。研究、开发和应用材料的自愈合性能，可以大大提高材料的使用寿命，降低资源消耗和成本，具有可观的经济效益和环境效益。因此，开发环保、清洁、来源广泛、可持续发展的具有自愈性的生物材料是十分必要的。在自愈合水凝胶材料体系中，可逆的化学反应使生成的共价键呈现出动态可逆的形成和断裂机制。常见的动态共价键如二硫键、苯硼酸盐键、杂环键和DA反应等。以聚乙烯醇和硼砂之间形成的动态硼酯键为基础制备可自愈水凝胶的方法简便，同样得到了广泛研究，但是所制作的水凝胶都表现出自愈时间久、强度不足、力学性能差的缺陷点，因此，一种简单方法制备快速愈合的木质素基自愈合导电水凝胶具有重要的实际意义。

技术实现思路

[0005]为了解决自愈合水凝胶自愈时间久、力学强度不佳的技术问题，而提供一种木质素基导电自愈合水凝胶及其制备方法和应用。本专利技术方法获得的自愈合水凝胶在室温下放置能够快速愈合，愈合时间不超过15s，且自愈后力学性能无明显下降。
[0006]为了达到以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种木质素基导电自愈合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0008]将环糊精、碱木质素、聚乙烯醇均匀溶解于硼砂水溶液中形成均匀的混合物料，然后调节pH值为碱性，得到粘稠物料，再进行冷冻处理，解冻至室温，最终得到均匀且稳定的木质素基导电自愈合水凝胶；
[0009]所述环糊精、所述碱木质素、所述聚乙烯醇、所述硼砂的质量比为1:(0.5
‑
3):3:
(90
‑
100)。
[0010]进一步地，所述环糊精为α
‑
环糊精、β
‑
环糊精、γ
‑
环糊精中的一种或多种；所述聚乙烯醇的分子量为1.5
‑
2万；所述硼酸水溶液的质量浓度为0.5
‑
2％。
[0011]进一步地，调节pH值为碱性是调节所述混合物料的pH值为8
‑
10。只有在碱性条件下聚乙烯醇才能与硼酸盐形成交联结构。
[0012]进一步地，所述冷冻处理的温度为
‑
20～10℃、处理时间为12h。冷冻处理可以使水溶液中的PVA分子链在某一时刻的运动状态“冻结”，使得接触的分子链可以发生相互作用及链缠结，通过范德华力和氢键等的物理作用紧密结合，在某一微区不分开进而成为“缠结点”；在冻结处理的时间内会发生重新冻结，而重新冻结又会有新的有序微区形成，这些微区称为“物理交联点”。在冷冻
‑
解冻的过程中可以促进分子链段运动并发生重新排列，通过分子链的折叠获得具有半结晶或者结晶结构的水凝胶，使其物理性能和机械性能等有很大程度的改善。
[0013]本专利技术另一方面提供上述方法制得的木质素基导电自愈合水凝胶。
[0014]本专利技术最后一方面提供由上述方法制得的木质素基导电自愈合水凝胶在穿戴式电子传感器上的应用，应用于手指、手腕、肘关节的穿戴式电子传感器。
[0015]有益技术效果：
[0016]1、本专利技术制备的木质素基导电自愈合水凝胶在木质素与环糊精的刚性网络和聚乙烯醇的柔性网络的交织下，形成双交联网络，具有良好的柔性，能够在常温下控制其形状，在室温下放置8s内可恢复原来的形状，并且机械性好，能够承受各种变形，如弯曲、伸长，而且可拉伸至原长度的20倍，不断裂。
[0017]2、本专利技术制备的木质素基导电自愈合水凝胶在不使用愈合剂和不需外界刺激的情况下，可以自动修复凝胶中的机械损伤，抑制损伤传播，恢复网络的完整性，延长了材料的使用寿命，显著提高材料安全性，优化经济效益；只需在室温下将切割的表面接触在一起，就能自动结合，接触8s后界面自修复完全，融合成整体，界面完全消失，且切割后重新愈合的水凝胶和原水凝胶相比，拉伸性能几乎没有降低。
[0018]3、本专利技术制备的木质素基导电自愈合水凝胶，无需另外添加压电碳材料等，所获得的木质素基导电自愈合水凝胶具有良好的导电能力和应变传感灵敏度，且电导率恢复效率高，可用于监测关节运动。
[0019]4、本专利技术的方法简单易行，无需昂贵设备，原料来源广、成本低廉、绿色环保且可再生。
附图说明
[0020]图1为实施例2制得的木质素基导电自愈合水凝胶的红外光谱图；其中1％LCP表示实施例2产物，0％LCP表示对比例2产物，CP表示对比例1产物，AL powder表示原材料碱木质素粉末，PVA powder表示原材料PVA粉末，β
‑
CD powder表示原材料β
‑
环糊精。
[0021]图2为实施例2制得的木质素基导电自愈合水凝胶的截面的SEM图。
[0022]图3为实施例1
‑
3木质素基导电自愈合水凝胶以及对比例2水凝胶的等温频率扫描曲线图。
[0023]图4为木质素基导电自愈合水凝胶1％LCP拉伸后的实物图。
[0024]图5为木质素基导电自愈合水凝胶的自愈合时间
‑
效率图。
[0025]图6为本专利技术方法木质素基导电自愈合水凝胶形成机理图，其中术语Lignin为木质素，PVA为聚乙烯醇，β
‑
CD表示β
‑
环糊精，Hydrogen bonding表示氢键作用。
[0026]图7为实施例2制得的木质素基导电自愈合水凝胶对手指关节不同弯曲角度的相对电阻变化随时间变化的曲线图。
[0027]图8为实施例2制得的木质素基导电自愈合水凝胶对手腕关节不同弯曲角度的相对电阻变化随时间变化的曲线图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种木质素基导电自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将环糊精、碱木质素、聚乙烯醇均匀溶解于硼砂水溶液中形成均匀的混合物料，然后调节pH值为碱性，得到粘稠物料，再进行冷冻处理，解冻至室温，最终得到均匀且稳定的木质素基导电自愈合水凝胶；所述环糊精、所述碱木质素、所述聚乙烯醇、所述硼砂的质量比为1:(0.5
‑
3):3:(90
‑
100)。2.根据权利要求1所述的一种木质素基导电自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述环糊精为α
‑
环糊精、β
‑
环糊精、γ
‑
环糊精中的一种或多种；所述聚乙烯醇的分子量为1.5
‑
2...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦恒飞，房静玲，陈郑楠，罗京，罗世鹏，周月，孟娟，周建斌，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：