一种壳聚糖水凝胶材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种壳聚糖水凝胶材料及其制备方法与应用，该制备方法具体包括以下步骤：(a)配制无机金属盐的水溶液，之后在该水溶液中加入壳聚糖，进行第一次搅拌，后抽滤，得到均匀的壳聚糖溶胶；(b)在步骤(a)得到的壳聚糖溶胶中加入交联剂水溶液，加入的同时进行第二次搅拌，后静置老化，即得到所述壳聚糖水凝胶材料。该壳聚糖水凝胶材料可用于制备金属氧化物气凝胶材料。与现有技术相比，本发明专利技术制备得到的壳聚糖凝胶材料能耗低、成本低、无毒、天然可降解、可根据外界环境变化做出相应改变，且经常压干燥处理后可方便储存携带，是一种性能极佳的“智慧型”超储水材料，且制备方法简单。

Chitosan hydrogel material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种壳聚糖水凝胶材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及水凝胶制备
，具体涉及一种壳聚糖水凝胶材料及其制备方法与应用。
技术介绍
水凝胶是一种由聚合物分子链所构成的具有三维多孔网络结构的超亲水材料。根据制备原料的不同，水凝胶主要分为两类：第一类为合成水凝胶，例如聚丙烯酸水凝胶、聚丙烯酰胺水凝胶及聚乙烯醇水凝胶等，此类水凝胶的网络结构由化学合成的聚合物分子链所构成。第二类为天然水凝胶，例如壳聚糖水凝胶、纤维素水凝胶及琼脂水凝胶等，此类水凝胶的网络结构由天然的聚合物高分子链所构成。与天然水凝胶相比，合成水凝胶具有使用寿命长、力学强度高及储水性能强等特点，然而其制备工艺更为复杂。合成水凝胶的制备通常需要加入引发剂及交联剂，以实现单体原料的自由基聚合反应，进而使得生成的聚合物高分子链通过化学交联反应实现交联。此外，合成水凝胶的单体原料往往价格昂贵，且所使用的引发剂通常具有较强的毒性，会对环境造成污染。因此，寻找一种低成本且天然无毒的制备原料，通过简单的合成工艺制备一种具有可循环使用性能、储水性能强、力学强度高的天然水凝胶具有极为重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种具有可循环使用性能、储水性能强、力学强度高的壳聚糖凝胶材料及其制备方法与应用，制备得到的壳聚糖凝胶材料能耗低、成本低、无毒、天然可降解、可根据外界环境变化做出相应改变，且经常压干燥处理后可方便储存携带，是一种性能极佳的“智慧型”超储水材料。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种壳聚糖凝胶材料的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：(a)配制无机金属盐的水溶液，之后在该水溶液中加入壳聚糖，进行第一次搅拌，搅拌均匀后抽滤，得到均匀的壳聚糖溶胶；(b)在步骤(a)得到的壳聚糖溶胶中加入交联剂水溶液，加入的同时进行第二次搅拌，后静置老化，即得所述壳聚糖水凝胶材料。优选地，步骤(a)中，所述的无机金属盐与壳聚糖的质量比为1:(0.8～2.5)；步骤(b)中，所述的交联剂水溶液与壳聚糖溶胶的体积比为1:(2.4～6)。优选地，步骤(a)中，所述的无机金属盐为无机铝盐或无机铬盐，所述的无机铝盐具体为氯化铝、硝酸铝或硫酸铝，所述的无机铬盐具体为氯化铬或硝酸铬；步骤(b)中，所述的交联剂水溶液为甲醛水溶液或乙二醛水溶液，其中甲醛水溶液的质量分数为8～36％，乙二醛水溶液的质量分数为12～30％。优选地，步骤(a)中，第一次搅拌的时间为2～3d，转速为800～1000r/min；步骤(a)中，抽滤的时间为10～30min。优选地，步骤(b)中，静置老化的时间为5～8d；步骤(b)中，第二次搅拌的时间为5～10min，转速为500～700r/min。第二次搅拌的转速小于第一次搅拌的转速即可。一种采用该制备方法得到的壳聚糖水凝胶材料。壳聚糖水凝胶材料密度为0.9～1.2cm3/g，杨氏模量为13～131kPa，可储存自身质量5倍以上的水。将所述的壳聚糖水凝胶材料用于制备金属氧化物气凝胶材料，并采用包含以下步骤的制备方法制备得到：(Ⅰ)将权利要求5所述的壳聚糖水凝胶材料依次经过乙醇替换和干燥处理后，得到壳聚糖气凝胶；(Ⅱ)将步骤(Ⅰ)得到的壳聚糖气凝胶进行热处理除去壳聚糖模板，得到所述金属氧化物气凝胶材料。优选地，步骤(Ⅰ)中的干燥处理方式为CO2超临界流体干燥，温度为40～45℃，压强为8～10Mpa。优选地，步骤(Ⅱ)中，热处理具体为：先以4～10℃/min的升温速率升温至500～700℃，并维持60～80min，之后再以4～10℃/min的升温速率升温至850～950℃，并维持60～100min。所述的金属氧化物气凝胶材料是将壳聚糖水凝胶材料作为原料，通过后续的干燥及热处理过程，除去壳聚糖模板即可制得。与常见的水凝胶材料相比，本专利技术制备的水凝胶材料具有超储水性能，可以储存大于自身质量500％的水且不发生开裂变形。该水凝胶同时具有优异的力学机械加工性能，可根据要求被加工成任意形状。优异的力学性能同时赋予了该材料可循环使用性能，该壳聚糖水凝胶可经历10次储水释水过程而不发生开裂。此外，该壳聚糖水凝胶还具有温敏特性，可根据外界温度变化以不同的速率进行释水，该壳聚糖水凝胶还可根据外界盐浓度的变化释出不同的水量。二者特性使该壳聚糖水凝胶有望在今后作为超储水材料被应用于农业领域；该材料可根据外界环境的变化进行储水释水，从而对处于干旱条件下的农作物起到保护作用。此外壳聚糖水凝胶还可根据周围环境酸碱度的不同进行储水释水。将壳聚糖水凝胶进行常压干燥后可使其体积发生剧烈收缩而不开裂，浸入水中后可恢复其原状，这一特性可使其便于存储运输。本专利技术利用壳聚糖、无机金属盐和交联剂作为原料，采用配位结合及化学交联的方法，通过溶胶凝胶过程制得了富含金属离子的超储水壳聚糖水凝胶。利用本专利技术方法可制备含有特定金属离子的壳聚糖溶胶，进而通过凝胶、干燥及热处理过程制得相应的金属氧化物气凝胶。壳聚糖凝胶具体的合成原理如下：壳聚糖分子中包含大量的-NH2与-OH基团，这些基团可与金属离子(Al3+或Cr3+)通过螯合配位形成稳定的五元环结构；此外，-NH2基团同时还可在金属离子(Al3+或Cr3+)的作用下被质子化。二者的共同作用可将壳聚糖溶解，形成稳定的壳聚糖溶胶。壳聚糖分子可与醛类分子(本体系中醛类分子为甲醛或乙二醛)发生反应，通过形成具有席夫碱结构的中间体进而彼此交联，最终形成凝胶。与现有合成水凝胶的制备方法相比，本专利技术所提出的制备方法具有合成原料成本低、绿色环保、制备过程简单易操作以及不需要特定的制备仪器的优点。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术所制备的壳聚糖水凝胶改善了现有的天然水凝胶使用性能差、储水性能弱及力学强度低的缺陷，与合成水凝胶相比，该壳聚糖水凝胶的制备原料成本低，绿色环保；且可根据外界环境的变化例如温度、酸碱度及含盐量以不同的速率进行储水释水，在未来具有极高的应用价值；且该制备方法简单可重复，不需要特定的反应仪器，不需要添加特定的试剂(例如化学结构复杂的引发剂或交联剂等)。附图说明图1为实施例1制得的壳聚糖水凝胶材料与常见的天然水凝胶材料的吸水性能随时间变化的关系比较图；图2为实施例1制得的壳聚糖水凝胶材料的力学机械加工性能示意图；图3为在不同外界温度条件下实施例2制得的壳聚糖水溶液的释水量随时间的变化关系图；图4为在不同环境含盐量条件下实施例3制得的壳聚糖水凝胶材料的释水量随时间的变化关系图；图5为在不同环境酸碱度条件下实施例4制得的壳聚糖水凝胶材料的释水量随时间的变化关系图；图6为图5中在ph＝12及ph＝13的碱度条件下壳聚糖水凝胶材料的释水量随时间的变化关系放大图；图7为实施例5制得的壳聚糖水凝胶材料的循环性能测试示意图；图8为实施例6制得的壳聚糖水凝胶材料经干燥脱水后重新恢复原貌的过程变化示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种壳聚糖水凝胶材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体包括以下步骤：/n(a)配制无机金属盐的水溶液，之后在该水溶液中加入壳聚糖，进行第一次搅拌，后抽滤，得到均匀的壳聚糖溶胶；/n(b)在步骤(a)得到的壳聚糖溶胶中加入交联剂水溶液，加入的同时进行第二次搅拌，后静置老化，即得所述壳聚糖水凝胶材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种壳聚糖水凝胶材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体包括以下步骤：
(a)配制无机金属盐的水溶液，之后在该水溶液中加入壳聚糖，进行第一次搅拌，后抽滤，得到均匀的壳聚糖溶胶；
(b)在步骤(a)得到的壳聚糖溶胶中加入交联剂水溶液，加入的同时进行第二次搅拌，后静置老化，即得所述壳聚糖水凝胶材料。


2.根据权利要求1所述的一种壳聚糖水凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，所述的无机金属盐为无机铝盐或无机铬盐；
步骤(b)中，所述的交联剂水溶液为甲醛水溶液或乙二醛水溶液。


3.根据权利要求1所述的一种壳聚糖水凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，第一次搅拌的时间为2～3d，转速为800～1000r/min；
步骤(a)中，抽滤的时间为10～30min。


4.根据权利要求1所述的一种壳聚糖凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，静置老化的时间为5～8d；
步骤(b)中，第二次搅拌的时间为5～15min，转速为500～700r/min。


5.一种采用如权利要求1-4任...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽，王晓栋，沈军，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31