23、一种离子水凝胶及其制备方法
成果及优势简介
离子水凝胶被认为是替代人体皮肤的有力候选者之一。它具有与人体皮肤相似的功能，例如能够感应不同类型的力（拉力和压力）和温度变化。此外，它还具有人类皮肤不具备的功能，例如：感知超声波和湿度变化的能力，以及光致变色的能力。在离子水凝胶领域，水凝胶已逐渐成为国内外研究的热点。但目前，离子水凝胶还遍存在以下缺点：（1）在正常温度和湿度下，水凝胶极易失水，导致与外界接触时，不能进行长期有效的工作；（2）在低温环境下，水凝胶中的自由水极易结冰；（3）具有透明性的水凝胶，往往缺乏紫外线屏蔽的功能，限制其在某些特殊环境中的应用，例如高原，高海拔或紫外线强烈的太空区域；（4）传感功能单一化，即通常只能对一种物理量有所响应，不能对多种物理量进行响应。（5）力学性能差，通常不能承受较高的拉伸形变或压缩应力。因此，研发出一款低温防冻、抗紫外线、力学性能好、多模式传感性能且能长期有效工作的高导电水凝胶显得尤为重要。
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种离子水凝胶及其制备方法，该方法可有效解决现有水凝胶存在的抗冻效果差、抗紫外线能力差、力学性能差、传感功能单一化、有效工作寿命短的问题。
本发明所产生的有益效果为：该离子水凝胶中的聚乙烯醇形成的网络结构作为水凝胶的基体结构，为离子皮肤提供基本的力学性能，单宁酸包覆的羟基磷灰石纳米线为纳米增强型填料，也形成网络结构，单宁酸包覆的羟基磷灰石纳米线、PVA和乙二醇之间可形成大量的氢键，使得单宁酸包裹的羟基磷灰石纳米线网络与PVA网络之间存在强的相互作用，进而提高所形成的网络可提升离子皮肤的整体力学性能。将单宁酸包覆于羟基磷灰石纳米线表面，由于单宁酸具有亲水性，可提高羟基磷灰石纳米线在基体网络结构中分散的均匀性，进一步提高水凝胶的整体力学性能。力学性能如图1所示。
图1 力学性能
由于羟基磷灰石纳米线对短波长的紫外线具有反射效果，但是不能阻挡长波长的可见光，根据该尺寸效应，使得离子皮肤能够反射紫外线，透过可见光，并且由于单宁酸对紫外光波具强的吸收作用，这进一步提高了离子水凝胶的抗紫外线能力。反应体系中乙二醇、水和聚乙烯醇之间强大的氢键作用，使得体系具有高温保湿、低温防冻的性能。抗紫外和抗冻性的性能如图2所示。
图2 抗紫外和抗冻性的性能测试
得益于分子级离子水通道，以及TA@HAP NWs与Al3+之间的螯合作用，该离子水凝胶应变传感器具有宽的应变传感范围（350％）、高线性度（R2=0.99003）、高灵敏度（GF=2.84）、低传感迟滞性（2.4%）、快速响应（~50 ms）、应变传感可逆性和高循环稳定性（图3）。其大部分指标均处于本研究领域的先进水平。此外，还可以对于压力传感器和温度传感器，均表现出良好的线性度。利用温度和应变的灵敏度的差异性，实现了温度和应变之间的解耦目的。因此，该离子皮肤具有多用途传感的功能。
图3 应变传感器的性能测试
产业化前景及效益分析
由于离子导电的特性，离子皮肤的电阻会随温度、应变和压力等因素变化，可以设计为传感器用于监测环境因素的变化，应用于条件较极端的环境(如火灾预警)。它也可以直接与人体组织接触，起到多用途传感、抗紫外线、保水和防冻敷料等功能。此外，离子皮肤还具有很好的生物相容性、降解性、无毒性以及水凝胶本身的保湿性，可作为保鲜涂层使用。
在工业化应用上，这种离子皮肤的制备过程非常简单，不需要高温高压等特殊条件。制备出的材料可利用水达到增塑效果，易于加工。另外，由于其具有环境友好性，大规模工业化生产不会带来环境污染，符合可持续发展战略的要求。
产业化实施条件及预算
制备实验条件简单，只需要高压反应釜、恒温箱、搅拌器和水浴锅等简单实验仪器。预算中原材料为常见的油酸、甲醇、去离子水、氢氧化钠、无水氯化钙、磷酸氢二钠二水合物、乙二醇、三氯化铝、聚乙烯醇和单宁酸等，无昂贵原材料和制备仪器，造价低。
