一种具有剪切增稠特性的温敏水凝胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有明显剪切增稠效应，且可通过温度变化控制对这种特性进行控制的温敏水凝胶的制备方法，该水凝胶以聚（N-异丙基丙烯酰胺）交联网络为基体，基体中溶胀一定浓度的聚乙二醇水溶液，水溶液中分散一定质量分数的聚（N-异丙基丙烯酰胺）接枝纳米SiO2微球。该水凝胶具有明显剪切增稠特性，其剪切增稠效果可通过温度控制，且凝胶本身也具有明显的温敏性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属智能水凝胶的制备方法，特别是涉及一种可产生剪切增稠特性，且可通过对凝胶的温敏性调节剪切增稠特性的智能水凝胶。
技术介绍
高分子凝胶是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的体系，其中的高分子以范德华力，化学键力，物理缠绕力，氢键力等连接。由于它是一种三维网络立体结构，因此它不能被溶剂溶解，同时分散在溶剂中并能保持一定的形状。溶剂虽然不能将三维网状结构的高分子溶解，但高分子化合物中亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀，这也是形成高分子凝胶的原因。剪切增稠是指当材料所受到的剪切应力（应变）增大时候发生的粘度增大，材料由软变硬的“固化”行为。剪切变稠现象最早发现于粒子悬浮体系中，如泥浆，淀粉分散液等，体系中包括分散介质如粘性液体及分散物如微-纳米颗粒，现在固体复合材料和凝胶材料中均已发现剪切增稠现象。近20年来，剪切增稠现象已被广泛关注，已有多种分散粒子及其分散介质搭配组成了具有剪切增稠现象的悬浮液，典型的粒子包括无机粒子如SiO2、CaCO3、Fe2O3、玻璃纤维等，有机粒子如淀粉、合成粒子包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球、聚苯乙烯（PS）微球、聚苯乙烯接枝丙烯酸（PS-g-AA）微球，聚二甲基丙酰胺-丙烯酸（P（DMAA-AA))微球等，分散介质包括水、聚乙二醇、甘油、不同链长脂肪烃等。当悬浮体系中微粒达到一定体积分数时，随即发生剪切增稠现象。而目前的剪切增稠凝胶一般为通过剪切增稠特性增稠实现溶胶-凝胶化而制备，这种剪切增稠行为只受悬浮液中微球的体积分数影响，而并无其他控制源。如可将此剪切增稠特性与响应性凝胶结合，实现通过外源响应性对凝胶剪切增稠特性的控制，无疑将具有巨大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种可实现剪切增稠的水凝胶的制备方法，尤其是提供一种可产生剪切增稠特性，且可通过凝胶的温敏性调节剪切增稠特性的智能水凝胶的制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有剪切增稠特性的温敏水凝胶的制备方法，其制备过程为：配置一定浓度的N-异丙基丙烯酰胺水溶液，将一定量接枝纳米SiO2微球加入其中，于冰水浴中超声震荡20分钟使得接枝纳米SiO2微球在其中均匀分散，加入少量溶解有引发剂KPS，催化剂TEMED的水溶液，于冰水浴中继续超声震荡20分钟，以上过程均在氮气保护下进行。后将反应容器密封并放置于冰水浴中反应24小时以形成凝胶。取出凝胶后用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂。后配置一定浓度的PEG水溶液，将其通过注射器注入凝胶中，当凝胶内溶胀的聚乙二醇达到一定浓度，得到产品。上述制备过程的特征在于：N-异丙基丙烯酰胺水溶液中N-异丙基丙烯酰胺的质量浓度介于10%-20%之间，加入接枝纳米SiO2微球的体积分数为N-异丙基丙烯酰胺水溶液体积的15%-28%之间，加入溶解有引发剂KPS，催化剂TEMED的水溶液的体积为N-异丙基丙烯酰胺水溶液的3-5%之间，其中溶解KPS的质量为N-异丙基丙烯酰胺的0.25-0.75%，TEMED的质量分数为N-异丙基丙烯酰胺的0.5-1%，凝胶内达到的聚乙二醇质量浓度介于15-32%之间。进一步，凝胶合成所用单体为N-异丙基丙烯酰胺。其结构式分别为：NIPA为典型的温敏单体，其最低转变温度（LCST）约为32°C。在低于LCST温度时，其胺基与水形成氢键，大分子亲水性增强，从而使得分子链呈舒展状态，凝胶吸水，而在高于LCST温度时，氢键破坏，大分子亲水性降低，分子链收缩，凝胶疏水。进一步，所述接枝纳米SiO2微球的粒径介于20-100nm之间。进一步，所述接枝纳米SiO2微球的接枝链为疏水链段，包括聚甲基丙烯酸甲酯链、聚甲基丙烯酸丁酯链。链分子量介于0.8万-1.5万之间，分子量分布指数介于1.1-1.5之间。进一步，所述接枝纳米SiO2微球的制备方法可采用通过在商品化纳米SiO2微球表面接枝聚合大分子链的方法制备。主要通过键接在无机粒子表面的引发剂引发单体聚合从而形成接枝链的发散法。其实施方法可采用活性聚合的原子转移自由基聚合（ATRP）聚合，可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）聚合，表面引发氮氧自由基聚合法（SI-NMP）以及表面光引发链转移终止自由基聚合（SI-PIMP）、点击化学等。典型的方法为通过RAFT活性聚合，如采用文献（Macromolecules,2011,44(22):8944–8953）中的方法，通过合成的大分子引发剂，溶液聚合合成接枝微球。其中合成所使用的大分子RAFT引发剂的结构式为：进一步，所述聚乙二醇的分子量介于200-2000之间。本专利技术所述酸降解的温度响应POSS杂化水凝胶性能有如下性能特点：凝胶内由于存在具有一定粘度的PEG溶液和悬浮分散的接枝微球/PEG悬浮液的存在，具有显著的剪切增稠特性，其在受到不同的冲击时将产生一定的抵抗特性。凝胶发生剪切增稠的剪切速率范围为（0.2-1.5s-1），凝胶的最大粘度范围为200-500Pa.s.。温度对凝胶剪切增稠特性的影响显著，凝胶的剪切增稠开始加切速率减小，最大粘度增大。同时，由于温敏单体的存在，凝胶本身溶胀性具有显著的温敏特性。附图说明图1是实施例1中制备的水凝胶在20度时剪切速率与粘度之间的关系示意图。图2是实施例1中制备的水凝胶的温度与开始剪切增稠剪切速率关系示意图。图3是实施例1中制备的水凝胶的温度与最大粘度之间关系示意图。图4是实施例1中制备的水凝胶的温度与平衡溶胀度之间的关系示意图。具体实施方式下面结合具体实施例形式的具体实施方式，对本专利技术的上述内容再作进一步详细阐述，但不应理解为下述各实施例是对本专利技术上述主题所涉及范围的限制，凡基于本专利技术上述内容所实现的技术均属于本专利技术范围。实施例1配置质量浓度为15%的N-异丙基丙烯酰胺水溶液115g，将总体积为20ml的接枝纳米SiO2微球加入其中，于冰水浴中超声震荡20分钟使得接枝纳米SiO2微球在其中均匀分散，加入4.5ml溶解有0.075g引发剂KPS，0.14g催化剂TEMED的水溶液，于冰水浴中继续超声震荡20分钟，以上过程均在氮气保护下进行。后将反应容器密封并放置于冰水浴中反应24小时。取出后用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂得到凝胶产品。后配置浓度为42%的PEG水溶液，将其通过注射器注入凝胶中，得到凝胶内溶胀的聚乙二醇溶液质量浓度达到24%，得到产品。实施例2配置质量浓度为12%的N-异丙基丙烯酰胺水溶液96g，将总体积为16.8ml的接枝纳米SiO2微球加入其中，于冰水浴中超声震荡20分钟使得接枝纳米SiO2微球在其中均匀分散，加入4ml溶解有0.075g引发剂KPS，0.14g催化剂TEMED的水溶液，于冰水浴中继续超声震荡20分钟，以上过程均在氮气保护下进行。后将反应容器密封并放置于冰水浴中反应24小时。取出后用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂得到凝胶产品。后配置浓度为35.7%的PEG水溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有剪切增稠特性的温敏水凝胶的制备方法，其制备过程为：配置一定浓度的N‑异丙基丙烯酰胺水溶液，将一定量接枝纳米SiO2微球加入其中，于冰水浴中超声震荡20分钟使得接枝纳米SiO2微球在其中均匀分散，加入少量溶解有引发剂KPS，催化剂TEMED的水溶液，于冰水浴中继续超声震荡20分钟，以上过程均在氮气保护下进行，后将反应容器密封并放置于冰水浴中反应24小时以形成凝胶；取出凝胶后用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂；后配置一定浓度的PEG水溶液，将其通过注射器注入凝胶中，当凝胶内溶胀的聚乙二醇达到一定浓度，得到产品；上述制备过程的特征还在于：N‑异丙基丙烯酰胺水溶液中N‑异丙基丙烯酰胺的质量浓度介于10%‑20%之间，加入接枝纳米SiO2微球的体积分数为N‑异丙基丙烯酰胺水溶液体积的15%‑28%之间，加入溶解有引发剂KPS，催化剂TEMED的水溶液的体积为N‑异丙基丙烯酰胺水溶液的3‑5%之间，其中溶解KPS的质量为N‑异丙基丙烯酰胺的0.25‑0.75%，TEMED的质量分数为N‑异丙基丙烯酰胺的0.5‑1%，凝胶内达到的聚乙二醇质量浓度介于15‑32%之间。

【技术特征摘要】
1.一种具有剪切增稠特性的温敏水凝胶的制备方法，其制备过程为：
配置一定浓度的N-异丙基丙烯酰胺水溶液，将一定量接枝纳米SiO2微球加入其中，于冰水浴中超声震荡20分钟使得接枝纳米SiO2微球在其中均匀分散，加入少量溶解有引发剂KPS，催化剂TEMED的水溶液，于冰水浴中继续超声震荡20分钟，以上过程均在氮气保护下进行，后将反应容器密封并放置于冰水浴中反应24小时以形成凝胶；取出凝胶后用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂；后配置一定浓度的PEG水溶液，将其通过注射器注入凝胶中，当凝胶内溶胀的聚乙二醇达到一定浓度，得到产品；
上述制备过程的特征还在于：N-异丙基丙烯酰胺水溶液中N-异丙基丙烯酰胺的质量浓度介于10%-20%之间，加入接枝纳米SiO2微球的体积分数为N-异丙基丙烯酰胺水溶液体积的15%-28%之间，加入溶解有引发剂KPS，催化剂TE...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈一，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43