一种纳米复合水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米复合水凝胶及其制备方法，该水凝胶主要由以下重量份比例的原料制成：纳米二氧化硅5‑25份、丙烯酰胺1200‑1500份、过硫酸铵3‑5份、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂3‑10份、四甲基乙二胺5‑8份、乙醇3200‑3600份、水9000‑9500份。相对于现有技术，本发明专利技术原料中包括了改性纳米二氧化硅(满足一定掺量比例)不但能提高水凝胶的平衡溶胀率，还能有效提高水凝胶的强度与韧性，使纳米复合水凝胶比传统水凝胶具有更好的增强增韧效果。此外，本发明专利技术利用原位聚合方法，对于纳米颗粒具有良好的分散效果，可以大大提高最终产品的性能。

Nano composite hydrogel and preparation method thereof

The invention discloses a nano-composite hydrogel and a preparation method thereof. The hydrogel is mainly made of the following weight proportion raw materials: nano-silica 5 25 phr, acrylamide 1200 1500 phr, ammonium persulfate 3 5 phr, methacryloxysilane coupling agent 3 10 phr, TETRAMETHYLENEDIAMINE 5 8 phr, ethanol 2000 3. 600, water 9000, 9500. Compared with the prior art, the raw material of the invention includes modified nano-silica (satisfying a certain proportion of dosage) which can not only improve the equilibrium swelling rate of the hydrogel, but also effectively improve the strength and toughness of the hydrogel, so that the nano-composite hydrogel has better reinforcing and toughening effect than the traditional hydrogel. In addition, the in-situ polymerization method has good dispersion effect for the nanoparticles and can greatly improve the performance of the final product.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米复合水凝胶及其制备方法
本专利技术涉及一种纳米复合水凝胶及其制备方法，属于纳米复合水凝胶

技术介绍
近几十年，高分子材料的发展逐步向着功能化和多元化方向发展。水凝胶作为一种有机高分子材料，具有优异的性能，在众多领域都有非常好的应用前景。但因为人工合成的传统水凝胶因为通常存在分子水平的高分子聚合物的分子链密度低、分子链间作用力小、凝胶过程形成的交联网络结构的任意性等微观缺陷，导致其水凝胶在宏观上表现出力学性能差、稳定性差、刺激响应性差等严重缺点，极大地阻碍了水凝胶的实际应用于是越来越多的国内外学者开始研究具有良好力学性能的新型水凝胶。将具有纳米尺度结构的胶体粒子均匀分散在水凝胶的聚合物基质中从而制备得到纳米复合水凝胶。纳米复合水凝胶具有强度高、韧性好、稳定性好和溶胀倍率高等性能，但纳米粒子在微观尺度上容易团聚。为了改善纳米颗粒的分散性，研究人员通过超声纳米粒子、改性纳米粒子和掺加分散剂等方法均匀分散纳米粒子在水凝胶基质中使力学性能及韧性都得到了极大地提升。在制备纳米复合水凝胶中，充分利用了纳米颗粒的交联三维网络作用，所以纳米复合水凝胶具有传统水凝胶不具备的优异性能。目前纳米复合水凝胶主要以纳米纤维素晶体、纳米粘土和纳米二氧化硅等纳米粒子土为纳米增强因子，受纳米粒子的粒径大小和微观尺度上的分散性差等问题的限制，对于在水溶液中原位合成具有良好分散性纳米粒子的研究较少，这在一定程度上也抑制了纳米复合水凝胶的良好力学性能，限制了纳米复合水凝胶的应用范围。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种纳米复合水凝胶及其制备方法。技术方案：为了实现上述目的，本专利技术公开了一种纳米复合水凝胶，其主要由以下重量份比例的原料制成：纳米二氧化硅5-25份、丙烯酰胺1200-1500份、过硫酸铵3-5份、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂3-10份、四甲基乙二胺5-8份、乙醇3200-3600份、水9000-9500份。所述的复合水凝胶是以有机聚合物为基体材料，以纳米二氧化硅为交联剂；所述有机聚合物是以丙烯酰胺为单体，过硫酸铵为引发剂，聚合为聚丙烯酰胺。以水质量计，所述纳米复合水凝胶中纳米二氧化硅含量为0.1-2.5％。所述的纳米二氧化硅为气相亲水性纳米二氧化硅，直径小于20纳米。所述的丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺和甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂均为高纯试剂。所述的乙醇为无水乙醇，所述的水为去离子水。所述的纳米复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)取纳米二氧化硅恒温干燥，将干燥后的纳米二氧化硅、总量的一半乙醇和同乙醇相同份数的水利用冰浴超声分散将其搅拌混合均匀，得到均匀混合溶液；(2)取甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂溶于剩余乙醇，加入上述溶液，将混合溶液恒温搅拌，得到均匀乳液，将所得乳液高速离心分离，所得固体溶于总量的十分之一去离子水超声分散，高速离心分离，重复三次；(3)取所得固体颗粒于剩余水中，超声分散，在均匀分散的溶液中加入丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺，然后在零度与低压环境下进行原位聚合，即可得到所述纳米复合水凝胶。步骤(1)、(2)和(3)中所述超声分散使用超声分散仪，其工作参数为：超声频率为40KHz，超声时间为100-120min。步骤(1)中所述纳米二氧化硅恒温干燥温度为100℃。步骤(3)中所述原位聚合方法为原位自由基聚合。更具体地，上述纳米复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)取纳米二氧化硅100℃恒温干燥120min，将干燥后的纳米二氧化硅、总量的一半乙醇和同乙醇相同份数的水置于锥形瓶中，密封，启动超声分散仪，调节频率为40KHz，控制超声温度为0℃，超声时间为100-120min，使其超声混合均匀得到混合溶液。(2)取甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂溶于剩余无水乙醇，缓慢加入上述溶液。将混合溶液75℃恒温搅拌4h，得到均匀乳液。将所得乳液在离心机中高速离心分离，所得固体溶于总量的十分之一去离子水超声分散，高速离心分离，重复三次。分离出固体纳米颗粒备用。(3)取所得固体颗粒于剩余去离子水中，超声分散，在均匀分散的溶液加入丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺，搅拌混合均匀，将所得溶液置于模具中，将模具及凝胶溶液置于10KPa低压环境的真空干燥器中，并控制环境温度为0℃，反应过程中需不断用真空泵抽取真空干燥器中反应产生的气体。反应3天后即可得到纳米复合水凝胶。技术效果：相对于现有技术，本专利技术中制备了改性纳米二氧化硅(满足一定掺量比例)不但能有效提高纳米颗粒的分散性，还能在有机物基体中起到交联剂的作用，使纳米复合水凝胶比传统纳米复合水凝胶具有更好的增强增韧效果，同时二氧化硅也能作为填充颗粒，强化聚合物基体性能；并且聚合方法采用原位聚合，相对于光引发聚合等聚合方式更加简便。具体实施方式下面结合具体实例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。以下实施例中所用原料均为以下要求：所述的纳米二氧化硅为气相亲水性纳米二氧化硅，直径小于20纳米。所述的丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺和甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂均为高纯试剂。所述的乙醇为无水乙醇，所述的水为去离子水。实施例1一种纳米复合水凝胶，按重量份数计，包括以下组分：纳米二氧化硅25份、丙烯酰胺1200份、过硫酸铵4份、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂7份、四甲基乙二胺8份、乙醇3200份、水9000份。制备方法：(1)取纳米二氧化硅100℃恒温干燥120min，将干燥后的纳米二氧化硅、总量的一半乙醇和同乙醇相同份数的水置于锥形瓶中，密封，启动超声分散仪，调节频率为40KHz，控制超声温度为0℃，超声时间为100min，使其超声混合均匀得到混合溶液。(2)取甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂溶于剩余无水乙醇，缓慢加入上述溶液。将混合溶液75℃恒温搅拌4h，得到均匀乳液。将所得乳液在离心机中高速离心分离，所得固体溶于总量的十分之一去离子水超声分散，超声频率为40KHz，超声时间为100min，高速离心分离，重复三次。分离出固体纳米颗粒备用。(3)取所得固体颗粒于剩余去离子水中，超声分散，超声频率为40KHz，超声时间为100min在均匀分散的溶液加入丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺，搅拌混合均匀，将所得溶液置于模具中，将模具及凝胶溶液置于10KPa低压环境的真空干燥器中，并控制环境温度为0℃，反应过程中需不断用真空泵抽取真空干燥器中反应产生的气体。反应3天后即可得到纳米复合水凝胶。实施例2一种纳米复合水凝胶，按重量份数计，包括以下组分：纳米二氧化硅10份、丙烯酰胺1200份、过硫酸铵4份、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂8份、四甲基乙二胺8份、乙醇3400份、水9200份。制备方法：(1)取纳米二氧化硅100℃恒温干燥120min，将干燥后的纳米二氧化硅、总量的一半乙醇和同乙醇相同份数的水置于锥形瓶中，密封，启动超声分散仪，调节频率为40KHz，控制超声温度为0℃，超声时间为120min，使其超声混合均匀得到混合溶液。(2)取甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂溶于剩余无水乙醇，缓慢加入上述溶液。将混合溶液75℃恒温搅拌4h，得到均匀乳液。将所得乳液在离心机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米复合水凝胶，其特征在于，其主要由以下重量份比例的原料制成：纳米二氧化硅5‑25份、丙烯酰胺1200‑1500份、过硫酸铵3‑5份、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂3‑10份、四甲基乙二胺5‑8份、乙醇3200‑3600份、水9000‑9500份。

【技术特征摘要】
1.一种纳米复合水凝胶，其特征在于，其主要由以下重量份比例的原料制成：纳米二氧化硅5-25份、丙烯酰胺1200-1500份、过硫酸铵3-5份、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂3-10份、四甲基乙二胺5-8份、乙醇3200-3600份、水9000-9500份。2.根据权利要求1所述的纳米复合水凝胶，其特征在于，所述的复合水凝胶是以有机聚合物为基体材料，以纳米二氧化硅为交联剂；所述有机聚合物是以丙烯酰胺为单体，过硫酸铵为引发剂，聚合为聚丙烯酰胺。3.根据权利要求1所述的纳米复合水凝胶，其特征在于，以水质量计，所述纳米复合水凝胶中纳米二氧化硅含量为0.1-2.5％。4.根据权利要求1所述的纳米复合水凝胶，其特征在于，所述的纳米二氧化硅为气相亲水性纳米二氧化硅，直径小于20纳米。5.根据权利要求1所述的纳米复合水凝胶，其特征在于，所述的丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺和甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂均为高纯试剂。6.根据权利要求1所述的纳米复合水凝胶，其特征在于，所述的乙醇为无水乙醇，所述的水为去离子水。7.权利要求1-6任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋金洋，胡浩，佘伟，孙伟，许光远，周文静，刘瑶，王凤娟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32