技术领域
[0001] 本发明属于功能高分子水凝胶领域，具体涉及一种具有环境稳定性的双网络有机水凝胶及其制备方法和应用。
相关背景技术
[0002] 水凝胶是由大量的水和物理或化学交联的亲水性三维聚合物网络组成。由于其可调节的柔韧性和在变形过程中保持结构完整性的能力，被认为是一种很有前景的柔性可穿戴应变传感器的候选材料。其在检测人体运动行为和康复运动方面具有广阔的应用前景。
[0003] 然而，当水凝胶应用于柔性可穿戴应变传感器时，需要面对不同的使用环境。尤其是在低温环境下使用，现有水凝胶的力学性能和导电性能会显著降低。
[0004] 申请公布号为CN116239827A的中国发明专利公开一种双网络水凝胶的制备方法及其在柔性传感器中的应用，该方法是将十二烷基硫酸钠与无机盐加入水中，搅拌至溶液透明；加入卡拉胶，持续搅拌至完全溶解；再加入丙烯酰胺、甲基丙烯酸十八烷基酯、2‑羟基‑4'‑(2‑羟乙氧基)‑2‑甲基苯丙酮，搅拌至完全溶解；冷却至卡拉胶完成聚合；用紫外光照射至引发丙烯酰胺聚合，即得。该方法所制得的水凝胶在保持凝胶力学性能的同时有效提升了其自愈合能力，在应变传感方面表现出良好的灵敏度、重复性及稳定性。
[0005] 申请公布号为CN117510901A的中国发明专利公开一种抗冻保湿双网络有机水凝胶及其制备方法和应用，其是先将聚乙烯醇、硫辛酸、植酸钠、导电填料、分散剂分散于水中，搅拌至溶解得到混合溶液，然后将混合溶液在85～95℃下搅拌至凝胶态，进行冷冻得到混合物；再将混合物解冻后，浸泡于醇类有机溶剂水溶液中，直至溶胀平衡，得到抗冻保温双网络有机水凝胶。该有机水凝胶在解决防冻性的同时还提升了自身的导电性和机械性能。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明。
[0032] 实施例1
[0033] (1)将水与乙二醇混合，控制水与乙二醇的体积比为1∶2，得到溶解液。
[0034] 将2g聚乙烯醇，0.5g卡拉胶，0.3g氯化钙，2.26mL MXene分散到30ml溶解液中，得到混合溶液。
[0035] (2)将混合溶液在90℃下加热并搅拌3h，然后进行注模，再对注模后得到的试样在‑10℃下冷冻8h，得到具有环境稳定性的双网络有机水凝胶并命名为PCCME‑1。
[0036] 实施例2
[0037] (1)将水与乙二醇混合，控制水与乙二醇的体积比为1∶1，得到溶解液。
[0038] 将2g聚乙烯醇，0.5g卡拉胶，0.3g氯化钙，2.26mL MXene分散到30ml溶解液中，得到混合溶液。
[0039] (2)将混合溶液在90℃下加热并搅拌3h，然后进行注模，再对注模后得到的试样在‑10℃下冷冻8h，得到具有环境稳定性的双网络有机水凝胶并命名为PCCME‑2。
[0040] 实施例3
[0041] (1)将水与乙二醇混合，控制水与乙二醇的体积比为2∶1，得到溶解液。
[0042] 将2g聚乙烯醇，0.5g卡拉胶，0.3g氯化钙，2.26mL MXene分散到30ml溶解液中，得到混合溶液。
[0043] (2)将混合溶液在90℃下加热并搅拌3h，然后进行注模，再对注模后得到的试样在‑10℃下冷冻8h，得到具有环境稳定性的双网络有机水凝胶并命名为PCCME‑3。
[0044] 对比例1
[0045] (1)将2g聚乙烯醇，0.5g卡拉胶，0.3g氯化钙，2.26mL MXene分散到30ml水中，得到混合溶液。
[0046] (2)将混合溶液在90℃下加热并搅拌3h，然后进行注模，再对注模后得到的试样在‑10℃下冷冻8h，得到具有环境稳定性的双网络有机水凝胶并命名为PCCME‑4。
[0047] 图1为本发明实施例1‑3与对比例1所制备得到的有机水凝胶进行60％压缩应变的应力‑应变曲线。如图1所示，在对实施例1、实施例2、实施例3与对比例1所得到水凝胶分别进行60％单次压缩可以看出，实施例1‑3所得到有机水凝胶可以承受住高于对比例1的应力，尤其是实施例1所制得有机水凝胶性能显著。
[0048] 图2为本发明实施例1‑3与对比例1所制备得到的有机水凝胶室温下放置15天重量损失率曲线。如图2所示，实施例2、实施例3与对比例1中所制得有机水凝胶的重量损失率分别为41％、52％和70.5％，说明实施例2、实施例3所制得有机水凝胶的性能优于对比例1。而且实施例1制备得到的有机水凝胶重量损失率仅为31％，较实施例2和实施例3也有明显提升。此外，如图3所示，实施例1中水凝胶的结晶温度降低至‑58.4℃，明显要优于实施例2、实施例3和对比例1中的‑48.3℃，‑44.6℃和‑17.1℃。另外，如图4所示，先将实施例1所得有机水凝胶在室温下放置7天后，对其进行了50％拉伸应变下的循环100次试验。循环结束后发现实施例1的力学衰减仅为2.6％，体系内稳定的双网络结构与乙二醇/水作用为有机水凝胶提供了可靠的环境稳定性。证明了实施例1所制得的有机水凝胶具有优异的保水性。
[0049] 对实施例1所制得的有机水凝胶进行切断，然后采用如下步骤修复：
[0050] 将断开的水凝胶样条置于烘箱中，控制烘箱温度为90℃，水凝胶样条置于烘箱中的时间为30min，随后冻融循环一次，即得到修复后的水凝胶。
[0051] 图5为本发明实施例1在切断修复成功后在‑18℃放置7天，随后室温放置2天，循环100次后的应力与时间关系曲线。如图5所示，先将修复后的有机水凝胶置于‑18℃环境下7天，随后在室温下放置2天后，再进行50％拉伸应变下的100次拉伸循环。发现第一次循环后的应力与第100次循环后的应力差仅为8.27kPa。这不仅证明了修复后的有机水凝胶恢复了原有的力学性能，还说明了修复后的有机水凝胶依然具有原始的功能性，体现了复杂环境对有机水凝胶的性能影响不大。
[0052] 图6为本发明实施例1所得到有机水凝胶的相对电阻变化与拉伸应变关系曲线。如图6所示，压缩灵敏度为相对电阻变化与拉伸应变关系曲线的斜率，可以看到灵敏度变化分为两个阶段，在0‑128.6％下，灵敏度为0.007771，而在128.6％‑300％范围，灵敏度则达到最大值0.01175。这种宽检测范围和高灵敏度体现了有机水凝胶在柔性压力传感器应用方面的巨大潜力。
[0053] 在上述实施例的基础上，本发明还具有以下实施例。
[0054] 实施例4
[0055] (1)将水与丙三醇混合，控制水与丙三醇的体积比为1∶1，得到溶解液。
[0056] 将2.5g聚乙烯醇，1g卡拉胶，0.6g氯化钙，2.26mL聚吡咯分散到30ml溶解液中，得到混合溶液。
[0057] (2)将混合溶液在95℃下加热并搅拌2h，然后进行注模，再对注模后得到的试样在‑15℃下冷冻10h，得到具有环境稳定性的双网络有机水凝胶并命名为PCCME‑5。
[0058] 实施例5
[0059] (1)将水与二甘醇混合，控制水与二甘醇的体积比为1∶0.5，得到溶解液。
[0060] 将2g聚乙烯醇，1g卡拉胶，0.5g氯化钙，3mL碳纳米管分散到30ml溶解液中，得到混合溶液。
[0061] (2)将混合溶液在90℃下加热并搅拌2h，然后进行注模，再对注模后得到的试样在‑15℃下冷冻6h，得到具有环境稳定性的双网络有机水凝胶并命名为PCCME‑6。
[0062] 实施例6
[0063] (1)将水与乙二醇混合，控制水与乙二醇的体积比为1∶1，得到溶解液。
[0064] 将3g聚乙烯醇，0.5g卡拉胶，0.5g氯化钙，2.26mL聚苯胺分散到30ml溶解液中，得到混合溶液。
[0065] (2)将混合溶液在90℃下加热并搅拌3h，然后进行注模，再对注模后得到的试样在‑10℃下冷冻8h，得到具有环境稳定性的双网络有机水凝胶并命名为PCCME‑7。
