一种高效溶解纤维素的低共熔溶剂及太阳光引发原位聚合成低共熔凝胶的方法

本发明属于功能材料，涉及一种高效溶解纤维素的低共熔溶剂及太阳光引发原位聚合成低共熔凝胶的方法。

背景技术：

1、水凝胶作为一种典型的软湿材料，具有三维亲水聚合物网络，含有大量的水。由于其柔韧性、导电性、粘弹性、刺激响应性和生物相容性，已经成为一个具有吸引力的材料平台，水凝胶已成为制造电子器件的理想候选材料。

2、低共熔溶剂作为离子液体的一种，不仅具有低可燃性、低蒸气压和高导电性，而且具有无毒成分、生物相容性、制备过程简单、成本相对较低等特点。因此，低共熔溶剂有望成为离子液体的一个新兴替代方案。目前，其主要可以用做溶剂、气体吸收剂、材料制备、催化剂、提纯等。但是目前对于低共熔溶剂在聚合物合成方面的研究较少。低共熔溶剂目前作为一种新型溶剂的使用与绿色可持续发展的理念高度契合。

3、在许多天然材料中，纤维素因其广泛的来源和可再生的性质而受到研究人员的青睐。纤维素由β-d-吡喃葡萄糖基组成，作为一种容易获得的天然生物聚合物，纤维素可以被认为是一种几乎取之不尽的资源，年生产量约1000吨。此外，纤维素是自然界中重要的有机聚合物，分布最广、含量最丰富，占植物界碳含量的50％以上。众所周知，纤维素具有良好的生物相容性、食用性、无毒、无污染、低成本和生物降解性。由于这些优越的特性，纤维素及其衍生物在生物医学、环境保护、食品包装、工业、农业、能源和电子等领域有着广泛的应用。

4、水凝胶因其具有良好的机械柔韧性和导电性能而成为柔性电子领域的一种具有吸引力的材料平台。近年来，导电柔性水凝胶基的电子设备的快速发展对于高的柔韧性、高导电性、抗冻性能以及自愈性能提出了更高要求。然而，传统的水凝胶不可避免地会在零下温度下结冰，在环境条件下会遭受水的持续蒸发，导致其导电性能和力学性能下降。因此，开发一种能够保持高稳定的导电性能和力学性能的水凝胶是非常必要的，但也具有挑战性。目前报道的低共熔凝胶通常会采用引入有机溶剂作为抗冻保护剂或者使用离子液体，然而有机溶剂的加入使得电导率大大下降；离子液体价格昂贵且具有一定的毒性，阻碍了皮肤表面应用和商业化发展。因此，寻找一种具有自愈性、高机械性、良好离子导电性和抗冻性的优良绿色溶剂是一项挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种高效溶解纤维素的低共熔溶剂及太阳光引发原位聚合成低共熔凝胶的方法，以解决目前离子液体溶解纤维素的缺陷以及现有导电水凝胶在寒冷条件下机械性能、导电性能差的问题。低共熔凝胶机械韧性、导电性能、抗冻性能良好，具备自我修复性能和可拉伸响应性以及良好的生物相容性，具有一定稳定性可以延长使用寿命，在低温下也能保持良好的柔韧性和导电性能，且其自修复过程不需要外部刺激，这项工作为制备可拉伸柔性传感器提供了新的思路，并为新兴的可穿戴应用提供了新的前景。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、一种高效溶解纤维素的低共熔溶剂及太阳光引发原位聚合成低共熔凝胶的方法，首先制备低共熔溶剂，所述低共熔溶剂由氯化锌、丙烯酸、水于85-90℃混合得到。其次将棉浆与低共熔溶剂混合得到的混合溶液，在太阳光辐射下可以在模具中聚合固化；具体包括如下步骤：

4、(1)制备低共熔溶剂：将氯化锌、丙烯酸(aa)、水于85-90℃混合反应3-5min，得到澄清透明的低共熔溶剂；其中，氯化锌、丙烯酸与水的摩尔比为1:1-3:2，例如分别为1:1:2、1:2:2、1:3:2。

5、(2)制备低共熔凝胶预聚液混合溶液：将棉浆与步骤(1)得到的低共熔溶剂混合均匀，在85-90℃的水浴锅中加热搅拌2-3h，得到低共熔凝胶预聚液混合溶液；其中，棉浆在氯化锌与水的混合溶液中的质量分数为0.5-2％；

6、(3)制备低共熔凝胶：将步骤(2)得到的低共熔凝胶预聚液倒入聚四氟乙烯模具中，在太阳光模拟器下引发聚合固化，得到低共熔凝胶。

7、在本发明中，所述步骤(1)将氯化锌、丙烯酸、水于90℃水浴锅中加热搅拌10min，混合物澄清透明，得到低共熔溶剂。

8、在本发明中，所述步骤(2)以棉浆作为纤维原料，且无需交联剂和光引发剂。

9、在本发明中，所述步骤(2)棉浆的制备方法为：用搅拌机将棉浆板打碎，得到实验所用的棉浆。

10、在本发明中，所述步骤(3)太阳光模拟器的电流为4-6a。

11、在本发明中，所述步骤(3)太阳光的照射时间为5-15min。

12、本发明还涉及保护利用上述方法制备得到的低共熔凝胶，所述低共熔凝胶可应用于柔性可拉伸传感器、电子皮肤、超级电容器、摩擦纳米发电机等领域。

13、本发明制备的低共熔溶剂不仅克服了离子液体的缺陷，还拥有了绿色、高效、低成本溶解纤维素的更好的特性，克服了传统柔性导电水凝胶在寒冷条件下导电性能和机械性能较差的问题，具体涉及到引入低共熔溶剂制备导电离子自愈低共熔凝胶的过程，所得到的低共熔凝胶具有高的柔韧性、良好的导电性、导电性能和自修复性能，同时利用棉浆和低共熔溶剂制得的低共熔凝胶在-50-25℃可以保持良好的导电性和机械性能。本发明为制备绿色、高效溶解纤维素的低共熔溶剂以及更多高柔韧性和良好导电性的低共熔凝胶提供了新的思路。

14、与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

15、1.本发明使用低共熔溶剂制备低共熔凝胶，无需交联剂和光引发剂，操作过程极其简单。不仅克服了有机溶剂离子导电性差、离子液体价格昂贵和毒性大等问题，而且拥有了绿色、高效、低成本溶解纤维素的更好的特性。

16、2.这种低共熔凝胶柔韧性好，并且在低温下可以保持良好的机械性能、导电性能和自愈性能，应用前景广泛。

17、3.本发明具有绿色环保、低成本且安全的优点，为更多可自愈和良好电导率离子弹性体材料的制备提供思路。

18、4.与现有技术相比，本发明采用低共熔溶剂制备了一种高机械性、高导电性、优良抗冻性和自愈性的低共熔凝胶。

技术特征：

1.一种溶解纤维素的低共熔溶剂及太阳光引发原位聚合成低共熔凝胶的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)不需要交联剂和光引发剂。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述太阳光模拟器的电流为4-6a。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述太阳光的照射时间为5-15min。

5.权利要求1-4任一项所述方法得到的低共熔水凝胶。

6.权利要求5所述的低共熔水凝胶在柔性可拉伸传感器、电子皮肤、超级电容器、摩擦纳米发电机中的应用。

技术总结本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种高效溶解纤维素的低共熔溶剂及太阳光引发原位聚合成低共熔凝胶的方法。制备方法包括如下步骤：低共熔溶剂由氯化锌、丙烯酸、水于85‑90℃混合得到。将棉浆与低共熔溶剂混合得到的混合溶液，在太阳光辐射下混合溶液可以在模具中聚合固化。利用制备的棉浆和低共熔溶剂制得的低共熔凝胶体具有良好的抗冻性和自愈性且在‑50‑25℃可以保持良好的导电性和机械性能。本发明具有绿色环保、低成本且安全的优点，为制备绿色、高效溶解纤维素的溶剂以及更多高柔韧性和良好导电性的低共熔凝胶提供了新的思路。技术研发人员：邵长优,孙润仓,朱家漩,薛凯,张吉飞,孙智文受保护的技术使用者：大连工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18