纳米纤维素/聚苯胺/异丙基聚丙烯酰胺温敏型导电水凝胶的制备及其性能研究
摘要：通过在纳米纤维素表面接枝聚N-异丙基聚丙烯酰胺，并添加聚苯胺制备了拥有热响应的导电水凝胶。纳米纤维素/聚苯胺/异丙基聚丙烯酰胺温敏型导电水凝胶完善了传统水凝胶，加入绿色可再生的TEMPO氧化纳米纤维素对基体实现增强，再加入导电物质，在原有凝胶骨架上建立导电网络结构。纳米纤维素既作为刚性纳米增强相，又起了协助分散作用，导电物质在提高导电水凝胶物理力学性能的同时，也赋予了其优异的导电性能。所制备的纳米复合导电水凝胶有望在电容器、传感器等领域发挥重大作用。
关键词：导电水凝胶；异丙基聚丙烯酰胺；纳米纤维素；聚苯胺
- 水凝胶
水凝胶（Hydrogel）是一种极为亲水的软物质，它拥有由化学或物理交联形成的三层网络结构。水凝胶有较强的吸水与保水能力，且可承受一定压力不会溢出[1]。多用于隐形眼镜,组织工程，药物输送和高吸水性药物制作领域。
1.1导电水凝胶
导电水凝胶（Electroconductive hydrogels, ECHs），是通过水凝胶与导电高分子结合制备出的具有导电能力的材料。因为这种材料不仅拥有水凝胶的优秀特性，还有优良的电学性能，在电传感，电池等领域也拥有很大的发展空间，近年来也受到了广泛的关注。
1.2温敏型导电水凝胶
温敏型导电水凝胶是一种能对温度变化做出响应的智能材料[2]。智能响应材料是一类在电[3]、压力[4]、pH[5]、离子强度[6]、光[7]、温度[8~11]等外界环境刺激下，自身的微观分子结构及分子构象发生可逆转变，从而导致自身的某些宏观性质发生相应变化的材料。将导电水凝胶与温敏性聚合物相结合制成，具有热响应的水凝胶会在传统水凝胶的基础上扩展更广泛的应用领域与发展空间。对温度的敏感使这种材料可以应用于医药方面对某些高温病灶位置的寻找；而由温敏型导电水凝胶拥有一个低临界溶解温度（LCST）[12]仅为32℃，超过或低于LCST时该物质会展现极大体积改变，即低于时溶胀，高于时收缩，因此可被用于药物的控制释放方面；另外也多作为细胞培养支架用来干细胞培养。
温敏型导电水凝胶的被广泛关注也使相关研究变得热门。制备聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶的传统方法需要使用N,N-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）为交联剂与引发剂[13]。之后在进一步研究中，Zhao等[14]通过使用微波辐射进行PANIPAM制备实验,采用红外光谱法、差示扫描量热法和扫描电镜法对PNIPAAM水凝胶的化学基团、较低的临界溶液温度（LCST）和表面形貌进行了表征。结果表明使用这种方法与传统的水浴加热法相比制备速度更快效果更好。根据温敏型导电水凝胶的热响应性，可以在温度报警方面有很大应用。Wang等[15]通过温敏型导电水凝胶F-PNIPAAM/PANI的热响应性能研制温度报警器。实验中温度报警器系统由两个铜电极、一个F-PNIPAAM/PANI水凝胶柱和一个玻璃管组成。当温度高于体积相变温度（VPTT）时，可以通过水凝胶收缩断开电路，以保护其他电子元件不受高温损伤。系统冷却后，可以重新连接电路。温度（20°C）低于VPTT，F-PNIPAAM/PANI水凝胶与两电极紧密接触，电路连接。当系统置于高于VPTT（50°C）的环境中时，水凝胶收缩，上电极与水凝胶的接触点分离，导致电路断开。随后将温度降低至20°C，恢复水凝胶与电极之间的接触，从而导致电路重新连接。这使系统能够完成温度报警器的工作。通过实验可知温敏型导电水凝胶的热响应性可以在拥有温度控制或报警的电子产品领域有很大潜力。
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