导电水凝胶的制备

accordance with the current research situation ，conductive hydrogel could be sorted several types ，as polyelectrolyte conductive hydrogel ，acid-doped conductive hydrogel ，inorganic substance add conductive hydrogel and conductive polymers-based conductive hydrogel etc． In addition ，conductive polymer and hydrogel are macromolecular systems which possess special and important properties that make them suitable for a wide range of practical applications． Therefore ，in this paper ，the progress about the preparation of conductive polymer-based conductive hydrogel is reviewed especially． Key words conductive hydrogel ； conductivity ； conductive polymers ； stability 2． 4 3 Conductive polymer-based conductive hydrogel Conclusion
制备了聚丙烯酸羟基乙酯水凝胶
（ PHEA ） ， 通过介电松 弛 谱 仪 在 不 同 条 件 下 （ 频 率 5
－1 有最大电导 率 为 1 S · cm 。 同 时， 又在聚偏二氟
。
智能水凝胶是集感知 、 驱动和信息处理于一体， 形成 类似于生物体 、 具 有 智 能 属 性 的 一 类 功 能 材 料。 这 些具有环境刺激响应行为特性的水凝胶材料在微环 境传感领域具有广阔的应用前景
［6 — 9］
。
近年 来， 导电水凝胶作为智能水凝胶家族的一 员受到人们广泛的 关 注， 导电水凝胶的研究热点从 起始的聚电解质导电水凝胶逐步过渡为无机物添加 导电水凝胶和导电 高 分 子 基 导 电 水 凝 胶， 这主要是 因为单一的聚电解质导电水凝胶的机械强度和稳定 性都不尽如人意， 而经过无机物添加或者导电高分 子材料复合的导电水凝胶不但具有良好的导电性和 同时还具有较好的机械强度， 这就使其更具 稳定性， 实际应用价值
电水凝胶大致分为聚电解质导电水凝胶 ， 酸掺杂导电水凝胶 ， 无机物添加导电水凝胶以及导电高分子基导电 水凝胶等几大类 ， 并综述了它们的制备方法 。 另外 ， 由于大分子体系的导电高分子和水凝胶都有着独特和重 要的性能 ， 这使得它们具有广阔的应用价值 。 所以 ， 本文在综述导电水凝胶制备进展的同时着重综述了导电 高分子基导电水凝胶的制备进展 。 关键词 导电水凝胶 电导率 导电高分子 文献标识码 ： A 稳定性 281X （ 2011 ） 05092307 文章编号 ： 1005中图分类号 ： O631. 2 ； O645
Preparation of Conductive Hydrogel
Shao Liang 1 Liu Mingzhu 1 * Qiu Jianhui 1 ，2 * Gao Chunmei 1 Zhang Guohong 2 Qin Lijun 1
（ 1． Key Laboratory of Nonferrous Metals Chemistry and Resources Utilization of Gansu Province ，State Key Laboratory of Applied Organic Chemistry ，College of Chemistry and Chemical Engineering ， Lanzhou University ，Lanzhou 730000 ，China ； 2． Department of Machine Intelligence and Systems 0055 ，Japan ） Engineering ，Faculty of Systems Science and Technology ，Akita Prefectural University ，Akita 015Abstract As a new type of functional materials ，conductive hydrogel has attracted widespread attentions． In
－1 －2
。
S ·cm － 1 ， 当 温 度 达 到 100℃ 时， 电导率可
2
导电水凝胶的制备
以目 前 的 研 究 状 况， 导电水凝胶大致可分为聚
S ·cm － 1 。 当酸与 AAM 的摩尔比为 2∶ 1 ， 水含
－2 量高于 45vol% 时， 室温 电 导 率 最 大 可 达 3 × 10 S·
［21］
。 目前， 已经有学者以导电高分
子基导电水凝胶制备成神经电极来记录敏感的听觉 神经反馈信号， 不但具有良好的生物相容性， 而且可 以增强记录的信 号 强 度
［12］
。导电水凝胶在保持固
相尺寸稳定性的前 提 下， 显现了不同的电导率区间 的特 点， 它 可 以 被 应 用 在 导 电 薄 膜 （ conducting film ） ， 涂 层 （ coating ） ， 电 化 促 动 器 （ electrochemical actuator ） ，传 感 器 （ sensors ） ，化 学 阀 （ chemical valve ） ，生 物 材 料 （ biomaterials ） 和 人 造 肌 肉 （ artificial muscle ） 等诸多方 面
第 23 卷 第 5 期 2011 年 5 月
化
学
进
展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol． 23 No． 5 May ，2011
导电水凝胶的制备
邵 亮
1
柳明珠
1*
邱建辉
1， 2*
高春梅
1
张国宏
2
秦利军
1
（ 1． 兰州大学化学化工学院 甘肃省有色金属化学和资源利用重点实验室 功能有机分子化学国家重点实验室 兰州 730000 ； 2． 日本秋田县立大学 机械智能系统学科 系统科学技术学部 ，日本 秋田 0150055 ） 摘 要 作为一种新型的功能材料 ， 导电水凝胶已经引起广泛的关注 。 本文根据目前的研究现状 ， 将导
［18］
（ DSC ） 证明， H 3 PO 4 掺 杂 的 导 电 水 凝 胶 在 100℃ 以 下不会发生任何一级转变， 但是 H 2 SO 4 掺杂的导 电 水凝胶温度 高 于 70℃ 时 即 会 发 生 降 解 。 通 过 对 红 质子迁移机理受到水 外光谱和电导率的 研 究 发 现， 凝胶中酸 浓 度 和 水 含 量 的 影 响 。 当 温 度 长 期 处 于 70 —100℃ 之间而导 致 水 凝 胶 失 水 成 干 凝 胶 的 情 况 其干凝胶的电导率 会 下 降， 但 在 70℃ 以 下， 该导 下， 电水凝胶会保持稳定的电导率 。
Contents
1 2 2． 1 2． 2 2． 3 Introduction Preparation of conductive hydrogel Polyelectrolyte conductive hydrogel Acid-doped conductive hydrogel Inorganic substance add conductive hydrogel
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第 23 卷
又能保持一定的形状 。 在外界物理和化学因素如温 pH 值 、 度、 光、 电、 磁、 声、 力和化学物质等的刺激下， 某些聚合物水凝 胶 的 自 身 性 质 如 相 、 体 积、 形 状、 光 学、 力学 、 电场 、 表面积 、 反应速率以及识别性能等将 随之发生变化，同 时 对 外 做 功， 这种对外界环境变 化具有刺激响 应 性 的 水 凝 胶 称 为 智 能 水 凝 胶
cm － 1 ， 该数值 与 凝 胶 中 水 含 量 关 系 密 切； 而 水 含 量 导电水凝胶体现稳定的室温电 在 25 —45vol% 时，
－2 －1 导率， 约 为 1 × 10 S·cm 。 差 示 扫 描 量 热 分 析
酸掺杂导电水凝胶， 无机物添加 电解质导电水凝胶， 导电水凝胶和导电 高 分 子 基 导 电 水 凝 胶 几 大 类， 本 文主 要 从 导 电 水 凝 胶 的 制 备 方 面 来 介 绍 其 研 究 进展 。 2． 1 聚电解质导电水凝胶 绝大多数导电水凝胶的聚合物网络中含有化学 键结合的离子化基团， 因此， 这种水凝胶往往是由具 有离子基团的高分子通过化学或物理交联制备得到 的 。 Pissis 等
［2 — 5］
Hz —2GHz ， 温度 173 —363K ） ， 研究 了 不 同 水 含 量 中 该水凝胶的电导率 。 并通过对介电常数， 阻抗， 模量 讨 论 了 PHEA 水 凝 胶 电 导 率 及 凝 胶 等数据的分析， PHEA 水 凝 胶 的 电 响应等方 面 的 问 题 。 结 果 表 明， 导率取 决 于 测 试 的 温 度 和 凝 胶 中 的 水 含 量， 并且 PHEA 水凝胶的电导率和电导率松弛 时 间 是 不 稳 定 具有很强的温度依赖性， 其电导率松弛的电响应 的， 形状符合德拜行为 。 Zygado-Monikowska 等［19］ 制备了 交 联 的 聚 2-丙 2-甲基 1-丙基 磺 酸 （ PAMPS ） 水 凝 胶， 该 烯酰胺基 N -亚 水凝胶呈透明可弯曲的薄膜， 研究了交联剂 N ， 甲基双丙 烯 酰 胺 （ NNMBA ） 和 水 含 量 对 该 水 凝 胶 在水含量为 电导率和机械性 能 的 影 响 。 结 果 表 明， 60 —80wt% ， NNMBA 含量为 1 —2wt% 时， 该水凝胶
收稿： 2010 年 8 月，收修改稿： 2011 年 3 月 * Corresponding author
1
引言
水凝胶是指一种主链或支链含有大量亲水性基
团 并 被 水 溶 胀， 具有三维网状结构的交联聚合 物
［1］
。 它在水 中 溶 胀 而 不 溶 解， 既 含 有 大 量 水 分，
e-mail ： mzliu@ lzu． edu． cn ； qiu@ akita-pu． ac． jp
［10 ，11］
乙烯 （ PVDF ） 或 聚 乙 烯 醇 （ PVA ） 的 存 在 下， 制备 了 互 穿 网 络 的 导 电 水 凝 胶 （ poly （ AMPSA-co NNMBA ） 共混 PVDF 或 PVA ） ， 从而提高了该水凝 胶的热稳定性 。 Yao 等［20］ 对苯乙烯 -乙烯 -丁烯 嵌 段 共 聚 物 进 行 制备了带 有 磺 酸 基 的 交 联 共 聚 物 导 电 水 磺化处理， 凝胶：当水凝胶在盐溶液中溶胀平衡后置于电场时， 水凝胶弯向阴极， 但是当水凝胶在去离子水中达到 溶胀平衡后， 再置于盐溶液并施加电场时， 水凝胶则 先弯向阳极 。 2． 2 酸掺杂导电水凝胶 就有学者对酸掺杂制备 早在 20 世纪 90 年 代， 导电水凝胶进 行 了 系 统 地 研 究 。 Wieczorek 等
［13 — 16］
。 另 一 方 面， 作
Leabharlann Baidu
制
为一种天然和人工 生 物 活 性 系 统， 它所具有的生物 相容 性 使 其 在 医 药 产 品 方 面 具 有 广 阔 的 应 用 前 景
［12 ，17］
备了 H 3 PO 4 和 H 2 SO 4 掺 杂 的 聚 丙 烯 酰 胺 （ PAAM ） 导电水凝胶， 研究发现， 这些水凝胶的室温电导率可 超过 10 达 10