力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶及其制备方法，该复合水凝胶的原料以重量份数计，由以下原料制成：天然高分子纤维素1.0～4.0份，丙烯酸2.0～6.0份，膨润土0.2～2.0份，八元瓜环0.05～1.0份，过硫酸钾0.1～0.2份。包括以下步骤：溶解得天然高分子纤维素溶液；向天然高分子纤维素溶液中加入丙烯酸后搅拌均匀，再加入引发剂过硫酸钾并在室温下通入氮气保护10～30min，然后加入作为交联剂的八元瓜环和膨润土搅拌至均匀，置于70℃的水浴锅中反应2～8h；冷却至室温后放入烘箱约5～12h后取出剪碎，然后放入烘箱进行逐步升温烘烤后取出即得复合水凝胶。本发明专利技术力学性能可控并能快速自愈，能通过改变结构及环境酸度调控其力学性能。

Cellulose acrylic bentonite hydrogel with controllable mechanical properties and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶及其制备方法
本专利技术属于天然高分子凝胶
，涉及一种复合水凝胶及其制备方法，具体涉及一种力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶及其制备方法。
技术介绍
传统纤维素类水凝胶具有无毒、可生物降解及生物相容性等优点，但由于其内部网络结构易受到破坏而存在一些如力学性能弱、成形性差等缺陷大大限制了其应用。针对这些问题，研究主要集中在两个方面，一方面对天然纤维素进行改性得到衍生纤维素水凝胶；另一方面是通过复合或掺杂无机材料得到纤维素复合水凝胶，这些方法均使力学性得到改善。如陈伟科等用浓H2SO4酸解桉木浆制备纳米纤维素晶体(CNs)，然后在APS的作用下对CNs进行简单的改性，以丙烯酰胺(AM)为单体，热引发制备高强度超拉伸CNs/PAM水凝胶材料。RenpingGuang等采用多次冷冻融化法成功制备了氧化石墨烯-纤维素-聚乙烯醇复合水凝胶，其拉伸强度和断裂伸长率都得到提高。JianhuaRong等人将丙烯酰胺单体加入到细菌纤维素悬浮液中，采用原位聚合法的方法，制备出了力学性能较好的聚丙烯酰胺/细菌纤维素复合水凝胶。杨盛春等以N,N，-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，聚乙烯醇(PEG)为成孔剂，制备了一种膨润土/丙烯酸/羧甲基纤维素复合凝胶，该凝胶是一种多孔材料，其力学性能差。在上述这些方法中要么使用了昂贵的掺杂剂如石墨烯，要么使用了强致癌单体丙烯酰胺，工艺较为复杂，也降低了纤维素类水凝胶材料的生物相容性，从而给该材料的进一步应用带来了困扰。无毒、工艺简单且力学性能优良的纤维素复合水凝胶的制备及应用是纤维素类水凝胶的关键问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶及其制备方法，克服现有纤维素类水凝胶制备工艺复杂、生物相容性差的缺陷。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：一种力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶，该复合水凝胶的原料包括作为基材的天然高分子纤维素，还包括丙烯酸、膨润土、作为交联剂的八元瓜环和作为引发剂的过硫酸钾。本专利技术还包括如下技术特征：具体的，以重量份数计，由以下原料制成：天然高分子纤维素1.0～4.0份，丙烯酸2.0～6.0份，膨润土0.2～2.0份，八元瓜环0.05～1.0份，过硫酸钾0.1～0.2份。具体的，以重量份数计，由以下原料制成：天然高分子纤维素1.5份，丙烯酸4.0份，膨润土0.5份，八元瓜环0.2份，过硫酸钾0.15份。具体的，所述天然高分子纤维素为羧甲基纤维素；所述八元瓜环为C48H48N32O16。一种力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：步骤一、称取天然高分子纤维素，并加入去离子水，超声振荡使其完全溶解制得天然高分子纤维素溶液；步骤二、向所述步骤一的天然高分子纤维素溶液中加入丙烯酸后搅拌均匀，再加入引发剂过硫酸钾并在室温下通入氮气保护10～30min，然后加入作为交联剂的八元瓜环和膨润土搅拌至均匀，置于70℃的水浴锅中反应2～8h；步骤三、待所述步骤二中的产物冷却至室温后放入烘箱约5～12h后取出剪碎，然后放入烘箱进行逐步升温烘烤后取出即得复合水凝胶。本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：(Ⅰ)本专利技术基于多重次级键设计了一种以天然高分子纤维素(CMC)为基材，以无毒的丙烯酸(AA)为单体，八元瓜环(CB[8])为交联剂，并掺杂廉价的膨润土形成一种层间交错的复合网络水凝胶。本专利技术通过改变结构及环境酸度来调控其力学性能，其一是以纤维素链与聚丙烯酸链形成双网络结构，网络间掺杂层状的膨润土形成复合网络结构，通过改变组分含量可以改变凝胶内部物理交联点而改变其力学性能。其二是通过调节凝胶形成后外界酸度来控制凝胶的交联密度从而调控其力学性能。(Ⅱ)本专利技术的力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶，其断裂伸长率1647.24％，弹性模量为0.0102MPa，拉伸强度为0.336MPa。通过调控环境酸度，可以有效的控制CMC/AA/膨润土复合水凝胶的力学性能。在酸性条件下弹性模量增加15倍，达到0.1521MPa；断裂伸长率是原始的0.55倍，为900.35％；拉伸强度是原来的8.1倍，达到2.73MPa。(Ⅲ)本专利技术的力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶，具有快速自愈性，自愈时间近10s。(Ⅳ)本专利技术的力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶，对有机污染物亚甲基蓝的去除率高达97.3％。以下结合实施例对本专利技术的具体内容作进一步详细解释说明。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的复合水凝胶的SEM图。图2是本专利技术实施例1制备的复合水凝胶经过酸浸泡后的SEM图。图3是本专利技术实施例1制备的复合水凝胶经过酸浸泡前后的应力-应变曲线。图4是本专利技术实验例1制备的复合水凝胶受拉力形变图。图5是本专利技术实施例1制备的复合水凝胶自愈后的受力图。图6是本专利技术实施例1制备的复合水凝胶在不同投加量下对吸附亚甲基蓝的吸附量及去除率曲线(T＝35℃，C0＝20mg/L)。图7是对比例1制备的复合水凝胶样品图。图8是对比例2制备的复合水凝胶样品图。图9是三种实施例制备的复合水凝胶的应力-应变曲线。以下结合实施例对本专利技术作进一步的详细说明。具体实施方式以下给出本专利技术的具体实施例，需要说明的是本专利技术并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本专利技术的保护范围。实施例1：本实施例给出一种力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶，以重量份数计，由以下原料制成：天然高分子纤维素1.5份，丙烯酸4.0份，膨润土0.5份，八元瓜环0.2份，过硫酸钾0.15份。本实施例所采用的天然高分子纤维素为羧甲基纤维素；所述八元瓜环为C48H48N32O16。其中，制备八元瓜环的方法为：将粉末状的甘脲7.0份与多聚甲醛3.0份装入100mL三口烧瓶中，机械搅拌使其混合均匀，边搅拌边滴加4mL冰浓HCl至反应物呈凝胶状；然后加热至反应物溶解，6h，稍冷，搅拌下倒入80mL甲醇中，充分搅拌，有白色或浅黄色固体析出，抽滤，真空干燥，得瓜环混合物；将混合物分两次用水1L充分混合溶解，搅拌2h后过滤，用200mL甲醇洗涤滤饼，干燥收集滤饼(六元瓜环和八元瓜环)；将上步的固体用6M的盐酸重结晶两次，可得到纯的白色晶体状产品八元瓜环(总收率7％)。本实施例力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶的制备方法为：步骤一、称取天然高分子纤维素，并加入去离子水，超声振荡使其完全溶解制得天然高分子纤维素溶液；步骤二、向所述步骤一的天然高分子纤维素溶液中加入丙烯酸后搅拌均匀，再加入引发剂过硫酸钾并在室温下通入氮气保护10～30min，然后加入作为交联剂的八元瓜环和膨润土搅拌至均匀，置于70℃的水浴锅中反应2～8h；步骤三、待所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶，其特征在于，该复合水凝胶的原料包括作为基材的天然高分子纤维素，还包括丙烯酸、膨润土、作为交联剂的八元瓜环和作为引发剂的过硫酸钾。/n

【技术特征摘要】
1.一种力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶，其特征在于，该复合水凝胶的原料包括作为基材的天然高分子纤维素，还包括丙烯酸、膨润土、作为交联剂的八元瓜环和作为引发剂的过硫酸钾。


2.如权利要求1所述的力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶，其特征在于，以重量份数计，由以下原料制成：天然高分子纤维素1.0～4.0份，丙烯酸2.0～6.0份，膨润土0.2～2.0份，八元瓜环0.05～1.0份，过硫酸钾0.1～0.2份。


3.如权利要求1所述的力学性能可控的纤维素丙烯酸膨润土水凝胶，其特征在于，以重量份数计，由以下原料制成：天然高分子纤维素1.5份，丙烯酸4.0份，膨润土0.5份，八元瓜环0.2份，过硫酸钾0.15份。


4.如权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琴，王若迪，房春娟，赵卫杰，高大航，赵娜，周元臻，张良，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61