一种纳米纤维素-聚合物复合水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种纳米纤维素‑聚合物复合水凝胶及其制备方法和应用。本发明专利技术所述纳米纤维素‑聚合物复合水凝胶的制备方法为：纳米纤维素分散液及单体在引发剂及N,N′‑亚甲基双丙烯酰胺的作用下经自由基聚合反应制得；其中所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、芬顿试剂中的一种。本发明专利技术所述的纳米纤维素‑聚合物复合水凝胶的制备方法，具有原料来源广泛、制备方法简单、反应时间短等优点。本发明专利技术制得的纳米纤维素‑聚合物复合水凝胶的导电性能、自愈合性能和机械性能良好，可以应用在柔性智能材料、电容器或电池隔膜等领域。

A nano-cellulose-polymer composite hydrogel and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维素-聚合物复合水凝胶及其制备方法和应用
本专利技术涉及高分子材料领域。更具体地，涉及一种纳米纤维素-聚合物复合水凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
水凝胶是一种含水量在30％-90％之间，且能在水中发生高度溶胀而不溶解的一类软材料，它具有良好的生物相容性和低表面摩擦性，且一些智能水凝胶能够感知外界刺激变化并相应地做出灵敏性响应，因此在药物释放、人工软组织、智能材料、传感领域及超级电容器领域等得到了广泛的应用。由于传统水凝胶的力学性能较差，极大地限制了它的应用。纤维素是自然界中储量最丰富的天然高分子，年产量高达2×1012吨。它可以由植物等通过光合作用产生，也可以由某些背囊类动物和细菌合成。纤维素具有丰富的来源、低廉的价格、良好的生物相容性与生物降解性，因此纤维素基水凝胶受到了国内外学者的广泛关注。但是纤维素基水凝胶材料存在稳定性较差，易降解等问题。纳米纤维素是二十大未来最具有潜力的新材料之一，具有低密度、高强度、生物相容性好、热膨胀系数低等优点，可以用于材料增强，制备透明纸、水凝胶、气凝胶等各种产品。因此，选择纳米纤维素与聚合物进行复合制备杂化水凝胶，不但可以赋予水凝胶优异的力学性能还能解决纤维素基水凝胶稳定性差的问题。极大地拓展了纤维素材料的应用领域。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种纳米纤维素-聚合物复合水凝胶的制备方法，纳米纤维素分散液及单体在引发剂及N,N′-亚甲基双丙烯酰胺的作用下经自由基聚合反应制得；其中，所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、芬顿试剂中的一种，优选为芬顿试剂。优选地，所述纳米纤维素分散液选自纤维素纳米纤维分散液、纤维素纳米晶分散液、纤维素纳米片分散液、纤维素纳米颗粒分散液中的一种。优选地，所述纳米纤维素分散液占所述自由基聚合反应的物料体系总质量的50％～80％。优选地，所述单体选自丙烯酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、N-乙基丙烯酰胺中的一种或几种；优选地，所述单体以单体溶液的形式加入，所述单体在所述自由基聚合反应的物料体系中摩尔浓度为0.5～4mol/L。优选地，所述纳米纤维素分散液中纳米纤维素的摩尔用量为所述单体摩尔用量的1％～20％。优选地，所述引发剂以引发剂溶液的形式加入，所述引发剂的摩尔用量为所述单体摩尔用量的1‰～5％。优选地，所述N,N′-亚甲基双丙烯酰胺以N,N′-亚甲基双丙烯酰胺溶液的形式加入，所述N,N′-亚甲基双丙烯酰胺溶液的摩尔用量为所述单体摩尔用量的1‰～10％。优选地，所述自由基聚合的反应时间为5～30min。优选地，本专利技术所述的制备方法还包括将所述自由基聚合反应后的产物倒入模具中加热成型的步骤。优选地，所述加热的温度为30～80℃。优选地，所述成型的时间为10min～10h。优选地，所述模具选自聚四氟模具、玻璃模具、塑料模具中的一种。本专利技术利用纳米纤维素与高分子进行化学交联和物理交联来制备高强、高韧、导电水凝胶。本专利技术所述的纳米纤维素-聚合物复合水凝胶的制备方法，通过控制纳米纤维素分散液的含量、单体与引发剂的质量比、单体与交联剂的质量比、反应温度和反应时间，可以得到机械性能不同、自愈合能力不同和导电能力不同的纳米纤维素-聚合物复合水凝胶。作为本专利技术的一种优选实施方式，所述自由基聚合反应为：纤维素纳米颗粒分散液(占反应物料体系总质量的50％～80％，其中纤维素纳米颗粒的用量为5％～20％)及丙烯酸溶液(在反应物料体系中摩尔浓度为3～3.5mol/L)，在芬顿试剂(在反应物料体系中摩尔浓度为30mmol/L)及N,N′-亚甲基双丙烯酰胺溶液(在反应物料体系中摩尔浓度为50mmol/L)；此时，可以有效的避免纳米纤维素与高分子产生相分离和纳米纤维素团聚的现象，使得纳米纤维素可以更均匀的分散在凝胶体系内；当外力作用于基体时，外力通过高分子链作用于纳米纤维素，纳米纤维素可以将力分散到其他连接的高分子链上，避免产生应力集中，外力的有效耗散可以很大程度的提高复合水凝胶的力学性能；纳米纤维素表面有很多羟基，可以与高分子之间形成氢键作用，赋予水凝胶自愈合能力，延长水凝胶的使用寿命；引发剂内的无机离子，赋予了水凝胶一定的导电能力，使其在导电材料与传感材料等领域具有一定的应用前景。本专利技术所述的纳米纤维素-聚合物复合水凝胶的制备方法，工艺简单、反应时间较短、低能耗、原料来源广泛、环境友好、成本低廉。本专利技术的第二个目的在于提供上述任一种制备方法所制得的纳米纤维素-聚合物复合水凝胶。本专利技术所述的纳米纤维素-聚合物复合水凝胶具有良好的机械性能、导电性能和自愈合性能。本专利技术的第三个目的在于提供上述任一种方法制得的纳米纤维素-聚合物复合水凝胶或上述任一种纳米纤维素-聚合物复合水凝胶在制备导电材料、传感材料、超级电容器隔膜上的应用。本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术的纳米纤维素-聚合物复合水凝胶，原料来源广泛且具有生物降解性能；由于纳米纤维素的引入，提高了水凝胶的力学性能；同时，引发剂内存在的无机离子赋予了凝胶导电能力；此外，纤维素与聚合物间形成的大量氢键赋予了凝胶良好的自愈合能力，使得凝胶在导电材料、柔性智能传感材料、超级电容器隔膜等领域具有广阔的应用前景。2、本专利技术的制备方法，通过聚合单体在纳米纤维素分散液中原位聚合制备复合水凝胶，具有操作简单、反应时间较短、成本低等优点。3、本专利技术的应用，将所制得的纳米纤维素-聚合物复合水凝胶作为柔性应变感应元，应用于柔性智能传感器中，可用于监测人体运动和生命体征。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出本专利技术实施例1中纳米纤维素-聚合物水凝胶的拉伸应力-应变图。图2示出本专利技术实施例2中纳米纤维素-聚合物水凝胶的导电示意图。图3示出本专利技术实施例3中纳米纤维素-聚合物水凝胶的自愈合示意图。图4示出本专利技术实施例4中纳米纤维素-聚合物水凝胶在不同应变下的相对电阻变化示意图。图5示出本专利技术对比例1中纳米纤维素-聚合物水凝胶的拉伸应力-应变图。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1一种纳米纤维素-聚合物复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：1)配制质量分数为10％的纤维素纳米颗粒分散液；2)向纤维素纳米颗粒分散液中加入芬顿试剂，芬顿试剂在体系内浓度为30mmol/L，搅拌5min，形成第一混合液；3)向第一混合液中加入丙烯酸与N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，丙烯酸在体系内浓度为3mol/L，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺在体系内浓度为50mmol/L，搅拌10min，形成第二混合液；4)将第二混合液倒入聚四氟模具中，在60℃下保持2h，得到纳米纤维素-聚合物水凝胶。本实施例制备得到的纳米纤维素-聚合物水凝胶的拉伸力学性能如图1所示，与纯的聚丙烯酸水凝胶相比，纳米纤维素-聚合物水凝胶具有更为优异的力学性能。实施例2一种纳米纤维素-聚合物复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：1)配制质量分数为3％的纤维素纳米纤维分散液；2)向纤维素纳米纤维分散液中加入过硫酸铵，过硫酸铵在体系内浓度为20mmol/L，搅拌5min，形成第一混合液；3)向第一混合液中加入丙烯酰胺与N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，丙烯酰胺在体系内浓度为3mol/L，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺在体系内浓度为5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米纤维素‑聚合物复合水凝胶的制备方法，其特征在于，纳米纤维素分散液及单体在引发剂及N,N′‑亚甲基双丙烯酰胺的作用下经自由基聚合反应制得；其中，所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、芬顿试剂中的一种，优选为芬顿试剂。

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维素-聚合物复合水凝胶的制备方法，其特征在于，纳米纤维素分散液及单体在引发剂及N,N′-亚甲基双丙烯酰胺的作用下经自由基聚合反应制得；其中，所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、芬顿试剂中的一种，优选为芬顿试剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素分散液选自纤维素纳米纤维分散液、纤维素纳米晶分散液、纤维素纳米片分散液、纤维素纳米颗粒分散液中的一种；优选所述纳米纤维素分散液占所述自由基聚合反应的物料体系总质量的50％～80％。3.根据权利要求1或2任一项所述的制备方法，其特征在于，所述单体选自丙烯酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、N-乙基丙烯酰胺中的一种或几种；优选所述单体以单体溶液的形式加入，所述单体在所述自由基聚合反应的物料体系中摩尔浓度为0.5～4mol/L。4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素分散液中纳米纤维素的摩尔用量为所述单体摩尔用量的1％～20％。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敏，鲁非雪，王超，黄勇，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11