一种明胶基水凝胶及其制备方法与应用

本发明涉及水凝胶，更具体的涉及一种明胶基水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

1、水凝胶材料因其独特的物理和化学性质，被广泛应用于生物医学工程、柔性传感和环境修复等领域。明胶提取自胶原蛋白，是一种天然聚合物，具有良好的生物相容性、可降解性和水溶性。此外，明胶还具有成本低、含量高、无毒等优点，因此被广泛应用于生物医学领域。然而传统明胶基水凝胶力学性能较差，且极容易溶胀，不利于作为柔性传感器在多种环境下进行作业。目前，人们迫切需要在多种环境条件下仍然具有良好的多功能应用性的柔性水凝胶传感器。

2、目前，现有技术提升明胶基水凝胶力学性能的方法有多种，例如：双网络结构的引入，明胶与高分子化合物(聚丙烯酸类、聚丙烯酰胺类等)进行物理交联形成双网络水凝胶，但其力学性能相对较差；多功能网络结构，通过将明胶与其他功能性聚合物(壳聚糖、透明质酸、海藻酸钠等)结合，形成多功能复合水凝胶，其多功能网络可以提高水凝胶的力学性能和生物功能性，但其提升的程度仍不够理想；填充纳米复合材料，将纳米材料(纳米粘土、碳纳米管、石墨烯、二氧化硅纳米粒子等)引入明胶基水凝胶，形成纳米复合水凝胶，其物理交联点增加材料的强度和韧性，但纳米材料的填充分布不均匀，导致水凝胶的力学性能较差。

3、因此，现有的水凝胶往往存在制备方法过程复杂，得到的水凝胶的力学性能不佳。

技术实现思路

1、本发明提供了一种明胶基水凝胶及其制备方法与应用，用以解决现有技术中明胶基水凝胶制备过程复杂、力学性能不理想的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种明胶基水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将丙烯酸类单体、烯烃基咪唑阳离子、有机电解质锂盐和引发剂加入明胶水溶液中，得到混合液；使所述混合液于紫外光的条件下进行聚合反应，得到所述明胶基水凝胶。

3、作为一种可能的实现方式，所述丙烯酸类单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、二甲基丙烯酸中的一种或几种的组合；和/或，所述烯烃基咪唑阳离子为1-乙烯基-3-己基咪唑离子、1-乙烯基-3-辛基咪唑离子、1-丙烯基-3-乙基咪唑离子、1-丙烯基-3-丙基咪唑离子和1-乙烯基-3-丁基咪唑离子中的一种或几种的组合；和/或，所述有机电解质锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂盐、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、双(草酸)硼酸锂中的一种或几种的组合；和/或，所述引发剂为α-酮戊二酸、2,2-偶氮二(2-甲基丙基咪)二盐酸盐、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮中的一种或几种的组合。

4、作为一种可能的实现方式，所述明胶水溶液的质量百分比浓度为1％～30％；和/或，所述明胶水溶液、所述丙烯酸类单体、所述烯烃基咪唑阳离子、所述有机电解质锂盐和所述引发剂的质量比为4:0.2～2:0.1～2:0.1～2:0.0003～0.01。

5、作为一种可能的实现方式，所述聚合反应的反应条件为：温度10～50℃、时长2～12h。

6、第二方面，本发明提供了一种第一方面任一种可能的实现方式制备得到的明胶基水凝胶。

7、第三方面，本发明提供了一种第一方面任一种可能的实现方式所述的制备方法制备得到明胶基水凝胶或第二方面所述的明胶基水凝胶在水环境中的应用。

8、作为一种可能的实现方式，所述明胶基水凝胶应用于人体运动监测。

9、作为一种可能的实现方式，所述明胶基水凝胶应用于可穿戴设备。

10、本发明提供了一种明胶基水凝胶的制备方法，其制备所采用的原料各成分之间在提高明胶基水凝胶的性能方面具有协同作用。其中，明胶作为第一层网络起到能量耗散的作用，而丙烯酸类单体与烯烃基咪唑阳离子进行共聚形成链骨架对水凝胶进行支撑，从而使水凝胶具有了良好的柔韧性。烯烃基咪唑阳离子的烷基疏水链可在水凝胶内聚集形成疏水相互作用，充当了水凝胶与水相之间的屏障，抑制大部分物质扩散，并且它们在水溶液中部分聚集形成相分离结构，提供多尺度能力耗散和离子通道，显著提升水凝胶的韧性和导电性。此外，疏水性的增加促进了聚合物链的局部折叠，在拉伸时链伸展，支持水凝胶的超高拉伸状态。同时，所引入的有机电解质锂盐的阴离子会与咪唑阳离子结合形成更强的静电吸引能力，锂离子可以与丙烯酸类单体上的羰基，形成新的强锂键。另外，明胶、丙烯酸类单体、烯烃基咪唑阳离子和有机电解质锂盐能够形成多重氢键，提升水凝胶的力学性能。

11、本发明提供的明胶基水凝胶为多重氢键、离子键、疏水缔合和强锂键多重交联水凝胶，不含化学交联，制备方法简单，且对环境和人体友好；且本发明提供的明胶基水凝胶具有良好的拉伸性和抗溶胀性，具有良好的抗冻性、导电性和抗菌性；其断裂应变可达4000％左右，断裂能可达2152kj/m3，15天溶胀率仅为15.48％。

技术特征：

1.一种明胶基水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸类单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、二甲基丙烯酸中的一种或几种的组合；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述明胶水溶液的质量百分比浓度为1％～30％；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的反应条件为：温度10～50℃、时长2～12h。

5.一种权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到的明胶基水凝胶。

6.权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到的明胶基水凝胶或权利要求5所述的明胶基水凝胶在水环境中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述明胶基水凝胶应用于人体运动监测。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述明胶基水凝胶应用于可穿戴设备。

技术总结本发明公开了一种明胶基水凝胶及其制备方法与应用，属于水凝胶技术领域，解决了现有技术中明胶基水凝胶制备过程复杂、力学性能不理想的问题。该方法包括以下步骤：将丙烯酸类单体、烯烃基咪唑阳离子、有机电解质锂盐和引发剂加入明胶水溶液中，得到混合液；使混合液于紫外光的条件下进行聚合反应，得到明胶基水凝胶。本发明提供的制备方法所采用的原料为环境和人体友好的生物质大分子材料，各成分之间在提高明胶基水凝胶的性能方面具有协同作用；且制备方法简单，可进行大规模推广生产。技术研发人员：王学川,李琳彬,张慧洁,党旭岗,张丹彤受保护的技术使用者：陕西科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29