【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纤维素水凝胶材料，具体涉及一种纳米纤维素水凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着科学技术的不断进步和发展以及智能时代的到来，柔性可穿戴电子设备以其优异的电学特性受到了广泛关注。导电水凝胶因其高柔韧性、可拉伸性、可调节的力学性能和优异的导电性，在各种便携式智能可穿戴电子产品和柔性传感器中显示出广阔的应用前景。其中，具有亲水性的三维网络结构水凝胶因为其良好的粘弹性、透明性和生物相容性是应用于柔性和可穿戴传感器的理想候选材料。然而，大多数传统的水凝胶普遍存在力学性能差的问题，主要原因是不均匀的交联结构和缺乏有效的能量耗散机制，严重限制了其进一步的实际应用。
2、近年来，研究人员在改善水凝胶的力学性能方面进行了许多的尝试，包括双网络结构、拓扑滑环凝胶、四-聚乙二醇凝胶和纳米复合(nc)水凝胶。其中，nc水凝胶被认为是通过阻止裂纹的形成和扩展来实现力学性能增强的首选方案。
3、然而，目前的导电水凝胶中分散介质为水，其在极端温度下不可避免地会冻结或迅速蒸发，导致其导电性和力学性能受到严重破坏。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种纳米纤维素水凝胶及其制备方法和应用，本专利技术的水凝胶为双交联纤维素水凝胶，这些双交联纤维素水凝胶具有丰富的非共价相互作用，包括氢键、离子和配位键相互作用，使离子水凝胶具有理想的性能，包括抗冻(-60℃)和长期抗脱水能力(室温环境40d)、可靠的粘附性、优异的力学性能和出色的离子电导率。>
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种纳米纤维素水凝胶，所述纳米纤维素水凝胶的结构包括化学交联网络、物理交联网络和分散介质；
4、所述化学交联网络为在引发剂作用下，使用化学交联剂在丙烯酰胺衍生物或丙烯酸衍生物单体链之间通过化学交联形成；
5、所述物理交联网络包括引入纤维素纳米纤维形成的结构和引入离子组分形成的结构，所述引入纤维素纳米纤维形成的结构为在所述化学交联网络中引入纤维素纳米纤维作为物理交联剂，物理交联剂与聚合物链之间形成可逆物理相互作用；所述引入离子组分形成的结构为离子组分与纤维素纳米纤维之间发生非共价连接，且离子组分铆钉氢键连接；
6、所述分散介质分散于所述化学交联网络和物理交联网络中，分散介质为有机溶剂。
7、本专利技术以纤维素纳米纤维作为物理交联剂，使用化学交联剂在聚合物链中引入共价相互作用赋予凝胶稳定结构和内聚力，通过在聚合物链之间形成共价键，建立稳健稳定的网络，从而增强凝胶的结构完整性和力学。然而，随着凝胶中共价键的增加，聚合物链会变得更加坚硬，在应力作用下变形的能力更差，导致结构变脆，失去弹性和柔韧性；因此在凝胶中引入纤维素纳米纤维作为绿色的物理交联剂，可以实现凝胶的高韧性、断裂强度和拉伸性。物理交联涉及聚合物链之间可逆物理相互作用的形成，例如离子相互作用、氢键和配位，提供能量耗散并使应力能够通过聚合物链传递，此外，纤维素纳米纤维表面还具有负表面羧酸基团，可以提高凝胶网络的离子传导性。
8、本专利技术的另一个目的是提供一种上述所述的纤维素纳米纤维水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
9、制备纤维素纳米纤维分散液，以所述纤维素纳米纤维分散液作为物理交联剂；
10、将丙烯酰胺衍生物或丙烯酸衍生物单体、化学交联剂、引发剂、离子组分溶解在水和有机物组成的二元溶剂中，之后向其中加入纤维素纳米纤维分散液，得到均相前驱体溶液，将所述均相前驱体溶液在紫外光或加热条件下聚合，得到纳米纤维素水凝胶。
11、所述纤维素纳米纤维水凝胶还可通过以下方法制备得到：
12、制备纤维素纳米纤维分散液，以所述纤维素纳米纤维分散液作为物理交联剂；
13、将丙烯酰胺衍生物或丙烯酸衍生物单体、化学交联剂和引发剂溶解在水中，得到混合溶液，之后向混合溶液中加入纤维素纳米纤维分散液，然后在冰浴条件下形成均匀的混合物，将所述混合物于氮气气氛下形成共价交联的纳米复合材料凝胶；将所述共价交联的纳米复合材料凝胶浸入离子组分和水和有机物组成的二元溶剂中，得到纳米纤维素水凝胶。
14、在本专利技术优选的实施方式中，丙烯酰胺衍生物或丙烯酸衍生物单体为丙烯酰胺、丙烯酸、n-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、2-羟基-2-甲基苯丙酮中的一种。
15、在本专利技术优选的实施方式中，离子组分为ca2+、fe3+、al3+、cu2+、zn2+、na+的一种。
16、在本专利技术优选的实施方式中，有机溶剂为山梨醇、甘油、脯氨酸、甜菜碱、1,3-丙二醇中的一种，二元溶剂中，有机溶剂与水的质量比为2～3:1。
17、在本专利技术优选的实施方式中，丙烯酰胺衍生物或丙烯酸衍生物单体、交联剂、引发剂的质量比为300～600:0.001～0.1:10～40。
18、在本专利技术优选的实施方式中，当溶剂为蒸馏水时，纤维素纳米纤维分散液与混合溶液的质量比为1～3:1。
19、在本专利技术优选的实施方式中，纤维素纳米纤维分散液的制备方法包括以下步骤：
20、将原始纤维素使用酸催化剂浸泡，之后进行打散处理，并用蒸馏水结束反应，得到纤维素原料；
21、将所述纤维素原料过滤脱水，直至水分含量达到2％～5％，使用前在0～4℃下储存，得到未完全干燥的纤维素；若溶剂仅为蒸馏水的水凝胶体系，则使用二元溶剂浸泡至特定时间。
22、将未完全干燥的纤维素悬浮在含有tempo和溴化钠的蒸馏水中，之后加入次氯酸铵，进行tempo介导的氧化反应，并同时加入naoh调节ph至9.7～10.3，待ph稳定后，反应完成；含有tempo和溴化钠的蒸馏水中，tempo和溴化钠的摩尔比为0.1～0.2:1～2，加入的次氯酸钠与tempo的摩尔比为1.5～10:0.1～0.2。
23、氧化后，加入乙醇淬灭反应，并加入hcl将反应的ph调节至7，最后将tempo氧化产物过滤洗涤；
24、随后将洗涤后的产物分散于水中，离心，去除沉淀收集上清液，对所述上清液通过机械除颤得到均匀分散的tempo氧化的纤维素纳米纤维分散液。
25、在本专利技术优选的实施方式中，所述酸催化剂为hcl溶液，原始纤维与hcl溶液的质量体积比为1g:15～20ml，hcl溶液的浓度为4～6m。
26、在本专利技术优选的实施方式中，单体、交联剂、引发剂的质量比为300～600:0.001～0.1:10～40，离子组分为ca2+、fe3+、al3+、cu2+、zn2+、na+，碳纳米填料为炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种。
27、在本专利技术优选的实施方式中，所述溶剂为蒸馏水或以蒸馏水为起底的二元有机溶剂。
28、在本专利技术优选的实施方式中，tempo的氧化时间为4～8h，期间保持匀速搅拌速本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米纤维素水凝胶，其特征在于，所述纳米纤维素水凝胶的结构包括化学交联网络、物理交联网络和分散介质；
2.一种权利要求1所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.一种权利要求1所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，
4.根据权利要求2或3所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，离子组分为Ca2+、Fe3+、Al3+、Cu2+、Zn2+、Na+的一种，有机溶剂为山梨醇、甘油、脯氨酸、甜菜碱、1,3-丙二醇中的一种，二元溶剂中，有机溶剂与水的质量比为2～3:1。
5.根据权利要求2或3所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，丙烯酰胺衍生物或丙烯酸衍生物单体、化学交联剂、引发剂的质量比为300～600:0.001～0.1:10～40。
6.根据权利要求3所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，纤维素纳米纤维分散液与混合溶液的质量比为1～3:1。
7.根据权利要求2或3所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，纤维素纳米纤维分散液的制备方法包括以下步骤：p>
8.根据权利要求7所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，所述原始纤维包括棉浆、松浆、针叶木浆板、阔叶木浆板和小麦秸秆中的一种或几种。
9.根据权利要求7所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，所述酸催化剂为HCl溶液，原始纤维与HCl溶液的质量体积比为1g:15～20mL，HCl溶液的浓度为4～6M，TEMPO、溴化钠、次氯酸钠的摩尔比为0.1～0.2:1～2:1.5～10。
10.一种权利要求1所述的纳米纤维素水凝胶在生物电极、可穿戴设备、人体运动检测和电磁吸波领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维素水凝胶，其特征在于，所述纳米纤维素水凝胶的结构包括化学交联网络、物理交联网络和分散介质；
2.一种权利要求1所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.一种权利要求1所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，
4.根据权利要求2或3所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，离子组分为ca2+、fe3+、al3+、cu2+、zn2+、na+的一种，有机溶剂为山梨醇、甘油、脯氨酸、甜菜碱、1,3-丙二醇中的一种，二元溶剂中，有机溶剂与水的质量比为2～3:1。
5.根据权利要求2或3所述的纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，丙烯酰胺衍生物或丙烯酸衍生物单体、化学交联剂、引发剂的质量比为300～600:0.001～0.1:10～40。
6.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：庞慧芳，王荣政，王建刚，张晋，管仁国，张光宗，李晓阳，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：
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