一种木质素水凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开一种木质素水凝胶的制备方法，是以木质素纳米颗粒作为交联点，通过简单、易控的原位自由基聚合反应制备的，该复合水凝胶具有较高的压缩和拉伸强度，且具备优异的吸附性能，制备方法简单，可用于污水处理等领域；制备主原料为工业废料的木质素，来源广泛，获取容易，生产成本低廉；且本发明专利技术公开的制备方法的制备步骤简单，制备周期短，有利于对该木质素水凝胶进行大规模的推广使用。

Preparation of a Lignin Hydrogel

The invention discloses a preparation method of lignin hydrogel, which is prepared by simple and controllable in-situ free radical polymerization using lignin nanoparticles as crosslinking point. The composite hydrogel has high compression and tensile strength, excellent adsorption performance, simple preparation method, and can be used in the field of sewage treatment, etc. The preparation method of the lignin hydrogel disclosed by the invention has simple preparation steps and short preparation period, which is beneficial to the large-scale popularization and use of the lignin hydrogel.

【技术实现步骤摘要】
一种木质素水凝胶的制备方法
本专利技术属于生物高分子材料
，尤其涉及一种木质素水凝胶的制备方法。
技术介绍
水凝胶是指能够吸收并保持大量水分而又不溶于水且具有一定的三维结构的一类聚合材料，其内含有网状结构的水溶性高分子，水溶性高分子中存在疏水基团和亲水基团，亲水基团与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水基团遇水膨胀形成网络结构的骨架将水分子锁住，使其保持一定的含水量。因水凝胶特殊的三维网络体系的存在，使其性质柔软，能保持一定的形状，且含水量较高。因此被广泛应用于药物载体，组织工程，污水处理等领域。但是大多数合成水凝胶的机械强度及韧性较差，限制了其更为广泛的应用。基于橡胶增强机理和多相复合理论的纳米复合水凝胶是一种具有优异机械性能且合成方法简单的水凝胶。在纳米复合水凝胶体系中，独特的纳米粒子既被用作增强剂也被用作交联剂，以克服传统化学交联水凝胶中交联点分布不均匀及链长分布广泛的缺点。目前，大多数的高强度纳米复合水凝胶的制备都是以合成聚合物为纳米粒子，天然聚合物很少被使用。木质素是世界上第二位最丰富天然可再生资源，木质素生物大分子是以紫丁香基丙烷、对羟基苯丙烷和愈创木基丙烷三种基本单元构成的，且基本结构单元之间以碳-碳键与醚键连接，木质素大分子结构中含有多种活性官能团，如醇羟基、酚羟基、羰基、羧基、甲氧基和双键等，木质素被广泛地用作添加剂、粘合剂、分散剂和表面活性剂等，具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决传统水凝胶力学性能较差、染料吸附性能较差等缺点，提供一种用于污水处理的木质素水凝胶的制备方法，以木质素纳米颗粒作为交联点，通过简单、易控的原位自由基聚合反应制备纳米复合水凝胶，该复合水凝胶具有较高的压缩和拉伸强度，且具备优异的吸附性能，制备方法简单，可用于污水处理等领域。本专利技术的技术方案为：本专利技术公开一种木质素水凝胶的制备方法，具体的制备步骤为：1)将木质素纳米颗粒溶于水中，经60-80min的超声处理，形成木质素纳米颗粒悬浮液；2)向纳米颗粒悬浮液中加入水溶性聚合物单体，搅拌混合均匀；3)向上述溶液中加入引发剂和交联剂，充分搅拌混合，70℃水浴条件下进行自由基聚合反应9-10h形成水凝胶；4)将步骤3制得的水凝胶在去离子水中浸泡48h除去单体和其他杂质。进一步地，所述木质素纳米颗粒的粒径为80-1000nm。进一步地，所述聚合物单体包括丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯醇和乙烯基吡咯烷酮。进一步地，所述引发剂包括抗坏血酸、过氧化氢、过硫酸铵和过硫酸钾。进一步地，所述交联剂包括N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、乙烯基吡啶和甲基丙烯酸羟烷基酯。进一步地，所述水凝胶中木质素含量占总体固含量的4～22％。进一步地，所述水凝胶中聚合物单体的含量占总体固含量的77～95％。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术公开的制备水凝胶的主要原料之一为工业废料的木质素，来源广泛，获取容易，生产成本低廉；2.利用本专利技术公开的方法制备的水凝胶具有良好染料吸附性能，生物相容性和环境友好等优点；3.利用本专利技术公开的方法制备的水凝胶相比于普通的水凝胶具有更较高的压缩拉伸强度和优异的可恢复性；4.利用本专利技术公开的木质素水凝胶的制备方法制备步骤简单，制备周期短，可进行大规模的推广使用。附图说明图1为本专利技术实施例一制备的木质素水凝胶的扫描电镜图；图2为普通聚丙烯酰胺凝胶与本专利技术实施例二制备的具有不同木质素含量的木质素水凝胶拉伸性能测试对比图；图3为普通聚丙烯酰胺与本专利技术实施例三制备的木质素凝胶压缩图像对比，其中A本专利技术实施例三制备的木质素凝胶压缩图像，B为普通聚丙烯酰胺凝胶的压缩图像；图4为普通聚丙烯酰胺与本专利技术实施例四制备的具有不同木质素含量的木质素水凝胶的吸附亚甲蓝溶液的性能对比图；图5为普通聚丙烯酰胺与本专利技术实施例五制备的不同木质素含量的木质素水凝胶的吸水溶胀性能对比图，其中a是水凝胶的吸水溶胀率随时间的变化曲线，b是水凝胶的平衡吸水溶胀率。具体实施方式以下实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。在不背离本专利技术实质的情况下，对本专利技术方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本专利技术的范围。实施例一:使用25kHz的频率，在800W的功率下，通过超声探头(JY98-3D，宁波新芝生物科技有限公司)对木质素水溶液进行60分钟的超声处理，制备出木质素纳米颗粒悬浮液；将1.7g丙烯酰胺单体和0.01gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺与3mL木质素纳米颗粒悬浮液混合，搅拌混合液15分钟后，向混合液中加入100μL抗坏血酸(AA，6wt％)和100μL过氧化氢(H2O2，30wt％)水溶液作为引发剂。为了充分混合各组分，将反应液再搅拌30分钟。最终，将混合均匀的反应液放置在70℃的水浴环境中进行自由基聚合反应，反应9小时后，将制得的水凝胶用去离子水浸泡48小时以除去未反应的单体和其它杂质。对本实施例所得的木质素水凝胶进行扫描电子显微镜分析。在室温条件下使用冷冻干燥机(FD-1D-80，北京博医康实验仪器)将纳米复合水凝胶样品干燥至恒重，并将干燥后的水凝胶样品切碎，在氩气保护下用Au-Pd合金对其新鲜的破碎面进行喷涂，最后，通过扫描电子显微镜(ZEISSEVO18)对处理后的样品进行微观上的形态分析。图1即为获得的木质素水凝胶的扫描电镜图；从图中可以观察出，木质素纳米颗粒均匀地分布在丙烯酰胺基体中，并且木质素纳米颗粒/丙烯酰胺复合水凝胶呈现一种均匀的网络结构。实施例二:使用25kHz的频率，在800W的功率下，通过超声探头(JY98-3D，宁波新芝生物科技有限公司)对木质素水溶液进行60分钟的超声处理，制备出含量不同的多组木质素纳米颗粒悬浮液；将1.7g丙烯酰胺单体和0.01gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺与3mL木质素纳米颗粒(4.5wt％)悬浮液混合，搅拌混合液15分钟后，向混合液中加入100μL过硫酸铵(6wt％)的水溶液作为引发剂；为了充分混合各组分，将反应液再搅拌30分钟，最终，将混合均匀的反应液放置在70℃的水浴环境中进行自由基聚合反应，反应9小时后，将制得的水凝胶用去离子水浸泡48小时以除去未反应的单体和其它杂质。换用固含量分别为8.6wt％、12.4wt％、15.8wt％、19.0wt％、22.0wt％的木质素纳米颗粒悬浮液，重复上述实验，得到六组数据，分别为LNP/PAM-1、LNP/PAM-2、LNP/PAM-3、LNP/PAM-4、LNP/PAM-5、LNP/PAM-6。对本实施例制备的木质素水凝胶进行拉伸性能测试。在室温条件下，使用一台传感器探头为200N的电子万能试验机(Instron5565，英斯特朗公司，美国)对水凝胶样品进行拉伸性能的测试。其中，用于拉伸测试的水凝胶样品为圆柱形，直径为6.5～7.5mm，长度为18～20mm，测试速度设置为50mm/min。循环拉伸测试是在初次拉伸后立即进行的，在加载和卸载过程中，拉伸速率保持不变，恒定为1/min。拉伸断裂应力定义为测试样品断裂时的应力。拉伸模量定义为应力-应变曲线线性区域(应变为5％～10％时)的斜率。水凝胶样品的韧性(W)表现为材料单位体积断裂时所需要的总功，可根据以下公式计算得出：W＝U/V，这里的U是测试时对样品所做的功，为力-距离曲线下的面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种木质素水凝胶的制备方法，其特征在于，具体的制备步骤为：1)将木质素纳米颗粒溶于水中，经60‑80min的超声处理，形成木质素纳米颗粒悬浮液；2)向纳米颗粒悬浮液中加入水溶性聚合物单体，搅拌混合均匀；3)向上述溶液中加入引发剂和交联剂，充分搅拌混合，70℃水浴条件下进行自由基聚合反应9‑10h形成水凝胶；4)将步骤3制得的水凝胶在去离子水中浸泡48h除去单体和其他杂质。

【技术特征摘要】
1.一种木质素水凝胶的制备方法，其特征在于，具体的制备步骤为：1)将木质素纳米颗粒溶于水中，经60-80min的超声处理，形成木质素纳米颗粒悬浮液；2)向纳米颗粒悬浮液中加入水溶性聚合物单体，搅拌混合均匀；3)向上述溶液中加入引发剂和交联剂，充分搅拌混合，70℃水浴条件下进行自由基聚合反应9-10h形成水凝胶；4)将步骤3制得的水凝胶在去离子水中浸泡48h除去单体和其他杂质。2.如权利要求1所述的一种木质素水凝胶的制备方法，其特征在于，所述木质素纳米颗粒的粒径为80-1000nm。3.如权利要求1所述的一种木质素水凝胶的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈莹，沈丽钰，陈诗燕，盛秋月，付帅，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32