基于丙烯酰基甘氨酰胺的超分子水凝胶作为自修复材料的应用制造技术

本发明专利技术公开基于丙烯酰基甘氨酰胺的超分子水凝胶作为自修复材料的应用，以丙烯酰基甘氨酰胺为单体，在引发剂存在下引发制备而成，由于氢键的协同作用，这种水凝胶具有很强的拉伸、压缩的同时能够抗撕裂，在较高温下能够实现热塑性和自修复的功能，并且很好的生物相容性。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术申请是母案专利技术申请“一种高强度超分子水凝胶及其制备方法和应用”的分案申请，母案申请的申请日为2015年4月21日，申请号为2015101916077。
本专利技术涉及一种水凝胶及制备方法，更具体地说，涉及一种以丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)为单体制备的PNAGA水凝胶及制备方法，具有高度稳定性、高强度、热塑性和自修复的功能。
技术介绍
水凝胶是以水为分散介质，亲水性而又不溶于水的且能够吸收大量水分(通常含水量大于总质量的50％)具有交联结构的高分子聚合物材料。因为聚合物链间的物理交联和化学交联作用而不会溶解于水中，只能溶胀且保持一定的形状，同时，还具有良好的水渗透性，生物相容性，作为人体植入物可以减少不良反应。因而水凝胶作为优良的生物医用材料得到广泛应用。但是，其高含水量导致水凝胶较差的机械性能限制了其作为生物材料尤其是力学器件的应用，对于超分子水凝胶更是如此，尤其没有化学键的作用，物理交联的超分子水凝胶力学强度一般来说都较弱，因此制备制备高强度的超分子水凝胶具有很大的现实和理论的应用。为了解决水凝胶较差的力学性能这一问题，近期科学家们研制了以下几种高强度水凝胶：双网络(DN)水凝胶，插层无机纳米复合水凝胶(NC)和高分子微球复合水凝胶(MMC)。但是这些高强度水凝胶不兼具高的抗拉伸和抗压缩功能(YoshimiTanaka，JainPingGong，YoshihitoOsada.Novelhydrogelswithexcellentmechanicalperformance.(MMC)。但是这些高强度水凝胶不兼具高的抗拉伸和抗压缩功能(YoshimiTanaka，JainPingGong，YoshihitoOsada.Novelhydrogelswithexcellentmechanicalperformance.Prog.Polym.Sci.2005；30：1-9.)。仅仅靠纯物理交联作用做成高强度水凝胶的。最近有Gong等(SunTL,KurokawaT,KurodaS,etal.Physicalhydrogelscomposedofpolyampholytesdemonstratehightoughnessandviscoelasticity.Nat.Mater.2013；12:932-937.)学者利用聚电解质做成的纯物理高强度水凝胶，但是其含水量仅有50％，而聚丙烯酰基甘氨酰胺凝胶不仅具有力学上的高强度，而且具备热塑性和自修复功能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种只以丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)为单体的聚合物超分子水凝胶，这种超分子聚合物水凝胶除了表现出水凝胶的一些固有属性，还具有很强的拉伸、压缩力学性能，较好的抗撕裂性、温度响应性下的热塑性和自修复功能。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：一种高强度超分子水凝胶，由以丙烯酰基甘氨酰胺为单体的聚合物和水组成，水凝胶的含水量在55—85％，在所述聚合物中，每个重复单元的侧链上设有两个酰胺基团，聚合度为1000—5000，优选2000—4000。在上述水凝胶中，含水量与聚合度呈现反比例关系，即含水量随着丙烯酰基甘氨酰胺单体用量的增加而下降。上述水凝胶的制备方法，按照下述步骤进行：将丙烯酰基甘氨酰胺为单体在水相条件下溶解，加入引发剂，在绝氧条件下由引发剂引发丙烯酰基甘氨酰胺的碳碳双键进行自由基聚合。在上述制备方法中，所述水相选择去离子水，或者自来水。在上述制备方法中，所述引发剂的用量为单体丙烯酰基甘氨酰胺质量的3％—5％。在上述制备方法中，所述单体丙烯酰基甘氨酰胺的浓度为10—60％，即丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量/(丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量+水相的质量)。利用引发剂提供的自由基引发NAGA单体发生反应。其中引发剂可以选择高分子聚合领域中常用的水相条件下的热引发剂，如过硫酸铵(APS)、过硫酸钾(KPS)，或者光引发剂，如2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure1173)。如果选择热引发剂，则需要首先利用惰性气体(如氮气、氩气或者氦气)排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持相当长的时间，如1h以上或者更长(1-5h)，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本专利技术的水凝胶。如果选择光引发剂，其中引发剂选择了光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure1173)。可以选用了透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可短于热引发的加热时间，如20分钟或者更长(30min-1h)，相对于热引发这样可以使得实验时间大大减少。在制备方案中，在反应结束后，从反应容器中取出共聚物，去除未参加反应的单体、引发剂、交联剂和溶剂后，浸泡在水中直至达到溶胀平衡(如浸泡7天，每隔12h更换一次水，达到溶胀平衡)。在本专利技术的技术方案中，以丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)为单体，制备的水凝胶，其分子链的侧链上带有两个酰胺基团，分子间的强烈的分子间的氢键作用，(-CH2-CH2-)n的“碳-碳”单键相连的骨架结构，侧链(CO-NH)的酰胺基团。丙烯酰基甘氨酰胺在引发剂的条件下使引发剂提供自由基，再由自由基引发丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)双键，发生聚合反应，最终制备的水凝胶材料中，由于氢键的协同作用，使整个水凝胶材料由聚合物和水组成。与现有技术相比，本专利技术中丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)，由于其聚合物分子链的侧链上带有两个酰胺基团，分子间的强烈的分子间的氢键作用，从而形成的物理交联作用使得丙烯酰基甘氨酰胺凝胶具有很好的力学强度和韧性，并且由于这种由双酰胺基团形成的氢键可以在较高温度下实现破坏和重建，凝胶具有了热塑性和自修复的功能。本专利技术提供的一种高强度PNAGA水凝胶是以丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)为原料，在引发剂存在下引发制备而成，由于氢键的协同作用，这种水凝胶具有很强的拉伸、压缩的同时能够抗撕裂，在较高温下能够实现热塑性和自修复的功能，并且很好的生物相容性。附图说明图1是本实施例使用的单体丙烯酰基甘氨酰胺的傅里叶红外光谱图。图2是本实施例合成的丙烯酰基甘氨酰胺聚合物的傅里叶红外光谱图。图3是本专利技术合成的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的拉伸，压缩及打结实物图，其中1为打结，2位拉伸，3位压缩。图4是本专利技术的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶在50℃-90℃下的重塑性的过程示意图。图5是本专利技术的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶切成两半时在50—90℃下实现自修复的示意图。图6是本专利技术的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶PNAGA-25和聚丙烯酰胺水凝胶在水中及尿素中的稳定性测试，a为聚丙烯酰胺水凝胶在去离子水中，b为PNAGA-25水凝胶在去离子水中，c为PNAGA-25水凝胶在5molL-1的尿素水溶液中。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。在实施例中，以甘氨酰胺盐酸盐和丙烯酰氯为原料依据参考文献(BousttaM,ColomboPE,LengletS,etal.VersatileUCST-based本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于丙烯酰基甘氨酰胺的超分子水凝胶作为自修复材料的应用，其特征在于，基于丙烯酰基甘氨酰胺的超分子水凝胶由以丙烯酰基甘氨酰胺为单体的聚合物和水组成，水凝胶的含水量在55—85％，在所述聚合物中，每个重复单元的侧链上设有两个酰胺基团，聚合度为1000—5000，修复温度为50℃‑90℃，水凝胶的拉伸强度、压缩强度都能够达到MPa的级别。

【技术特征摘要】
1.基于丙烯酰基甘氨酰胺的超分子水凝胶作为自修复材料的应用，其特征在于，基于丙烯酰基甘氨酰胺的超分子水凝胶由以丙烯酰基甘氨酰胺为单体的聚合物和水组成，水凝胶的含水量在55—85％，在所述聚合物中，每个重复单元的侧链上设有两个酰胺基团，聚合度为1000—5000，修复温度为50℃-90℃，水凝胶的拉伸强度、压缩强度都能够达到MPa的级别。2.根据权利要求1所述的基于丙烯酰基甘氨酰胺的超分子水凝胶作为自修复材料的应用，其特征在于，聚合度优选2000—4000。3.根据权利要求1所述的基于丙烯酰基甘氨酰胺的超分子水凝胶作为自修复材料的应用，其特征在于，将丙烯酰基甘氨酰胺为单体在水相条件下溶解，加入引发剂，在绝氧条件下由引发剂引发丙烯酰基甘氨酰胺的碳碳双键进行自由基聚合；所述水相选择去离子水，或者自来水；所述引发剂的用量为单体丙烯酰基甘氨酰...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文广，戴西洋，张银宇，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12