一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶及其制备和应用，所述水凝胶中POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物占聚氨酯的质量百分比为1‑30wt％，水凝胶具有三维网络结构；制备包括：POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物的制备；POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶的制备。本发明专利技术避免了交联剂的使用对其复合体系各组分性能的影响，配合使用真空冷冻干燥技术，在真空环境下直接冷冻干燥而达到在物质结构中形成很多气孔的目的，解决了三元体系化学交联中常见的空隙不高、多空结构不稳定等缺点；并且真空冷冻干燥过程中能很好地保持样品原化学组成和物理性质的特点，而避免了样品组分含量对其成型问题的影响。

Preparation and Application of a Lead Ion Adsorbed POS Hybrid Polyacrylamide/Polyurethane Porous Composite Hydrogel

The present invention relates to a POSS hybrid polyacrylamide/polyurethane porous composite hydrogel adsorbed by lead ion and its preparation and application. The POSS hybrid polyacrylamide copolymer in the hydrogel has a mass percentage of 1 30 wt% of polyurethane, and the hydrogel has a three-dimensional network structure. The preparation includes: POSS hybrid polyacrylamide copolymer. Preparation of polymer; preparation of POSS hybrid polyacrylamide / polyurethane porous composite hydrogel. The invention avoids the influence of the use of cross-linking agent on the properties of each component of the composite system, cooperates with the use of vacuum freeze-drying technology, directly freezes and dries in vacuum environment to form many pores in the material structure, and solves the problems of low voids and unstable multi-void structure in the chemical crosslinking of the ternary system, etc. In addition, the original chemical composition and physical properties of the sample can be well maintained during the vacuum freeze-drying process, and the influence of the sample component content on the molding problem can be avoided.

【技术实现步骤摘要】
一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶及其制备和应用
本专利技术属于高分子复合材料及其制备和应用领域，特别涉及一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶及其制备和应用。
技术介绍
重金属危害性高，并且具有致癌性，不仅会破坏水生物系统，也会危害人体健康。这些重金属主要来源是电池制造厂、五金电镀、制革、油漆以及开采和炼油等。重金属主要通过食物链富集，以及污染饮用水进入人体被肝脏吸收。铅离子是危害人体的5大重金属之一，过量的铅离子会损伤心脏、骨骼、肾脏和神经系统，导致疲劳，甚至是心脏衰竭，智力下降以及贫血等症状。尤其是对于老人，孕妇，孩童这样免疫力低下的人群，因此在废液排放前处理回收这些重金属铅离子变的十分重要。目前对Pb2+处理的手段主要包括：混凝絮凝法，离子交换法，以及生物降解法，化学氧化还原法等技术，但是这些技术都有一些缺点，如操作成本高，有毒物再生导致的二次污染，以及不能完全移除污染物。在金属离子废水的处理方法中，生物吸附法因操作简单、处理效率高而被广泛应用。聚丙烯酰胺是吸附合成水凝胶最常用的材料之一，链上带有的亲水基团(-CONH2)，与金属离子相互作用时形成了螯合物，即使是对低浓度的金属离子溶液也具有高稳定性吸附能力和吸附选择性。单一聚丙烯酰胺在交联剂作用下形成的水凝胶吸附能力有限，因此一般与其他合成凝胶或天然凝胶复配制得到的凝胶吸附铅等其他重金属。水性聚氨酯由二元醇和多元异氰酸酯经过逐步聚合得到的氨基甲酸酯，可以看成是一种含软链段和硬链段的嵌段共聚物，一般高分子链上含有羧酸增加亲水性。水性聚氨酯以水替代有机溶剂作为分散介质发展起来的高分子材料，具有污染小，亲水性强，形成的凝胶材料、空隙率高、内部空隙结构丰富等特点，本身具有吸附性能捕集和过滤性能，一般通过化学改性之后，可以用于生活污水处理中充当载体处理污水中的重金属。多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)本身是一种结构非常稳定的新型有机-无机纳米杂化材料，POSS具有良好的生物相容性、较好的稳定性和无毒性等特征，使其在生物医用和组织工程领域有很大的潜在用途，POSS的引入有效的改善形状记忆材料的回复性能、耐水洗牢度及湿摩擦牢度等性能。聚丙烯酰胺(PAM)所含-CONH2的N原子带有孤对电子，使其能通过络合作用实现对重金属离子的吸附，但由于N原子与C＝O的共轭效应，使电子云密度降低，导致络合作用减弱进而降低了吸附能力。为提高PAM吸附重金属离子的能力，常在PAM中引入高效、有选择性的特定功能基团组成具有高吸附容量的PAM类复合吸附材料。正如，POSS、PAM、PU分别变现出不同的优异性质，所以有很多的学者考虑将三者结合制备出吸附性能更为优异的复合材料。如专利号CN201310410812.9公布了明胶/羧甲基壳聚糖/POSS光交联水凝胶及制备方法，用甲基丙烯酸缩水甘油酯对明胶和羧甲基壳聚糖进行双键改性；改性明胶、改性羧甲基壳聚糖、八乙烯基低聚倍半硅氧烷及交联剂PEGDMA和光引发剂I2959配成溶液后光交联制备水凝胶，专利号CN201110381899.2公布了丙烯酸与多面体笼型倍半硅氧烷共聚水凝胶及其制备方法和用途，专利号CN201110335297.3公布了一种新型烷基笼型倍半硅氧烷纳米杂化物的制备及其应用。上述三则专利主要是多面体低聚倍半硅氧烷与其它物质的杂化复合水凝胶在生物组织工程方面的应用，而用于重金属离子方面的研究较少。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶及其制备和应用，该制备方法避免了交联剂的使用对其复合体系各组分性能的影响，配合使用真空冷冻干燥技术，在真空环境下直接冷冻干燥而达到在物质结构中形成很多气孔的目的，解决了三元体系化学交联中常见的空隙不高、多空结构不稳定等缺点。本专利技术的一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶，所述水凝胶中POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物占聚氨酯的质量百分比为1-30wt％，水凝胶具有三维网络结构。本专利技术的一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶的制备方法，具体步骤为：(1)将八乙烯基倍半硅氧烷OVPOSS和偶氮二异丁腈以摩尔比为12-14:1溶于溶剂中，在氮气氛围下，滴加丙烯酰胺溶液反应，洗涤，过滤，真空干燥，得到POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物，其中OVPOSS与丙烯酰胺的摩尔比为1:7～8，OVPOSS在溶剂中的浓度为0.07～0.08mmol/mL；(2)将步骤(1)中POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物溶于水中，搅拌，加入聚氨酯，继续搅拌，添加饱和NaHCO3溶液，再继续搅拌，转移至模具中静置，在去离子水中浸泡冲洗除去多余的碱等其他小分子杂质，真空冷冻干燥，得到POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶，其中POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物占聚氨酯的质量百分比为1-30wt％，聚氨酯与饱和NaHCO3溶液的比例为16g-500g:5mL。所述步骤(1)中溶剂为1,4-二氧六环。所述步骤(1)中滴加时间为3～5h；反应为：升温到60～65℃反应36～48h。所述步骤(1)中真空干燥的温度为50～55℃。所述步骤(1)中洗涤为依次用甲醇、甲苯分别洗涤三次。所述步骤(1)中OVPOSS的质量百分比浓度为98～99％；偶氮二异丁腈的质量百分比浓度为98～99％。所述步骤(1)中1,4-二氧六环的质量百分比浓度为98～99％；丙烯酰胺的质量百分比浓度为98～99％。所述步骤(2)中聚氨酯的质量百分比浓度为98～99％；NaHCO3的质量百分比浓度为97～98％。所述步骤(2)中继续搅拌、再继续搅拌的时间均为2～4h。所述步骤(2)中静置时间为24～48h。所述步骤(2)中真空冷冻干燥中冷冻温度不高于-50℃，真空冷冻干燥的真空度不高于20Pa，真空冷冻干燥时间为36～48h。本专利技术的一种POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶应用于吸附铅离子。所述POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶可以定性的通过热力学吸附和动力学吸附得出吸附重金属Pb2+的含量。本专利技术首先将笼形的八乙烯基倍半硅氧烷(OVPOSS)和丙烯酰胺(AM)共聚，得到二元复合均相的复合材料体系；然后通过碱性条件使其二元复合体系酰胺发生水解，再通过氢键的作用与聚氨酯形成三元复合均相体系，避免了交联剂的使用对其复合体系各组分性能的影响。进而配合真空冷冻干燥技术，在真空环境下直接冷冻干燥而达到在物质结构中形成很多气孔的目的，解决了三元体系化学交联中常见的空隙不高、多空结构不稳定等缺点。且利用了真空冷冻干燥过程中能很好地保持样品原化学组成和物理性质的特点，而避免了样品组分含量对其成型问题的影响。有益效果(1)本专利技术避免了交联剂的使用对其复合体系各组分性能的影响，配合使用真空冷冻干燥技术，在真空环境下直接冷冻干燥而达到在物质结构中形成很多气孔的目的，解决了三元体系化学交联中常见的空隙不高、多空结构不稳定等缺点；并且真空冷冻干燥过程中能很好地保持样品原化学组成和物理性质的特点，而避免了样品组分含量对其成型问题的影响。(2)本专利技术调控POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物与聚氨酯的配比用量得到的复合吸附材料结构稳定，有着多空结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶，其特征在于，所述水凝胶中POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物占聚氨酯的质量百分比为1‑30wt％，水凝胶具有三维网络结构。

【技术特征摘要】
1.一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶，其特征在于，所述水凝胶中POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物占聚氨酯的质量百分比为1-30wt％，水凝胶具有三维网络结构。2.一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶的制备方法，具体步骤为：(1)将八乙烯基倍半硅氧烷OVPOSS和偶氮二异丁腈以摩尔比为12-14:1溶于溶剂中，在氮气氛围下，滴加丙烯酰胺溶液反应，洗涤，过滤，真空干燥，得到POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物，其中OVPOSS与丙烯酰胺的摩尔比为1:7-8.0，OVPOSS在溶剂中的浓度为0.07-0.08mmol/mL；(2)将步骤(1)中POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物溶于水中，搅拌，加入聚氨酯，继续搅拌，加入饱和NaHCO3溶液，再继续搅拌，静置，在去离子水中浸泡冲洗，真空冷冻干燥，得到POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶，其中POSS杂化聚丙烯酰胺共聚物占聚氨酯的质量百分比为1-30wt％，聚氨酯与饱和NaHCO3溶液的比例为16g-500g:5mL。3.按照权利要求2所述的一种铅离子吸附的POSS杂化聚丙烯酰胺/聚氨酯多孔复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐洪耀，赵岗，魏刚，夏苗苗，光善仪，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31