一种极端耐受的碳纳米管水凝胶其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种极端耐受的碳纳米管水凝胶、其制备方法与应用。所述制备方法包括：提供碳纳米管气凝胶，以包含小分子和/或高分子的第一水溶液浸润所述碳纳米管气凝胶表面，之后干燥，得到小分子和/或高分子修饰的碳纳米管干凝胶；将所述碳纳米管干凝胶充分浸置于第二水溶液中，获得极端耐受的碳纳米管水凝胶。本发明专利技术的碳纳米管水凝胶具有超快的水传输特性，具有较高的电导率，该碳纳米管水凝胶对酸、碱、盐、有机等环境表现出优异的耐受能力，并且在大程度压缩下，仍能可逆恢复，这些特性使得碳纳米管水凝胶在创伤性伤口愈合、应急止血带、生物载药、水环境处理、海水淡化、新能源器件、可穿戴、水下传感、检测等领域具有较好的应用前景。

An extremely tolerant carbon nanotube hydrogel and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种极端耐受的碳纳米管水凝胶其制备方法与应用
本专利技术涉及一种纳米碳水凝胶的制备，特别涉及一种快速水传输水凝胶和环境耐受的碳纳米管水凝胶及其制备方法与应用，属于碳纳米管水凝胶合成及纳米材料科学

技术介绍
水凝胶作为一种三维多孔材料，具有在能源、生物载药、智能器件、环境水处理等领域被广泛研究。目前水凝胶按照材质来分，可以被分为人工合成聚合物基水凝胶、碳基水凝胶和自然基水凝胶。水凝胶吸水溶胀、吸水量和吸水速率可以表示水凝胶的水传输性能。多孔结构的凝胶具有快速水传输的性能，同时酸、碱、盐的环境也会对水凝胶的水传输性能造成影响。由单体聚合发泡制备的超孔水凝胶具有微米级的孔结构，通过微米孔的毛细作用，水凝胶可以实现快速水传输效果。采用这种方法制备的超孔水凝胶是目前已知的水传输速率较快水凝胶类型。但是超孔水凝胶需要采用乙醇脱水的干燥技术才能实现快速水传输，生产工艺复杂。多孔凝胶膜包覆超吸水的聚丙烯酰胺水凝胶、聚丙烯酸微粒可以实现快速的吸水膨胀，但是这种结构在吸水后多孔膜膨胀水传输速率降低，最终并不能实现饱和吸水。碳基水凝胶中，如石墨烯水凝胶、碳纳米管水凝胶、生物碳水凝胶具有三维碳网络结构，具有较大的比表面积和丰富的孔隙。但目前制备的碳基水凝胶虽然有丰富的微纳孔，这些多为闭孔，难以形成较大的毛细力和实现快速的水传输。Kuang,J等人以多糖为基础与丙烯酸单体共聚发泡制备了多糖基的超孔水凝胶(Carbohydr.Polym.2011,83(1),284-290.)，实现了快速水传输。自然基水凝胶(如壳聚糖、海藻酸钠)和聚合物水凝胶在酸、碱环境中，由于高分子链段上的官能团质子化反应，引起高分子链溶胀或皱缩，因此自然基水凝胶和聚合物水凝胶很难在酸碱环境中实现吸水溶胀。碳基水凝胶部分是由水热碳化制备，表面含有较多的羟基、羧基，酸碱环境下容易发生质子化。此外，盐浓度也会影响水凝胶的水传输性能，低浓度的盐溶液就可以使得水凝胶的水传输性能发生较为明显的降低。Ma,Y等人将木质素与双丙烯酰胺、丙烯酸共聚得到木质素基聚丙烯酸纳米复合水凝胶(Polymer2017,128,12-23)。水凝胶表现出在酸、碱下都能吸水溶胀，但是这种在酸碱环境中的水传输性能不稳定，随着pH值的变化而变化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种极端耐受的碳纳米管水凝胶、其制备方法与应用，从而克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种极端耐受的碳纳米管水凝胶的制备方法，其包括：提供碳纳米管气凝胶；以包含小分子和/或高分子的第一水溶液浸润所述碳纳米管气凝胶表面，之后干燥，得到小分子和/或高分子修饰的碳纳米管干凝胶；将所述碳纳米管干凝胶充分浸置于第二水溶液中，获得极端耐受的碳纳米管水凝胶。在一些优选实施例中，所述小分子包括乙醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、丁四醇、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。在一些优选实施例中，所述高分子包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙三醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、羟甲基纤维素、羧甲基纤维素、壳聚糖、海藻酸钠等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的碳纳米管水凝胶，所述碳纳米管水凝胶具有可逆双网络结构，其孔隙率为90～99％，水传输速率为2～30gg-1s-1，电导率为2～80S/m，在强酸、强碱、浓盐、高温环境下的饱和吸水量至少为自身重量的300倍，所述碳纳米管水凝胶具有超弹、耐压缩特性，在大于90％的压缩形变下能够实现可逆恢复。本专利技术实施例还提供了前述碳纳米管水凝胶于水环境处理、海水淡化、创伤性伤口愈合、应急止血带、生物载药、新能源器件、水下传感器件、柔性可穿戴器件或检测领域中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：较之现有研究的水凝胶，采用本专利技术的方法制备得到的碳纳米管水凝胶具有超快的水传输特性，水凝胶对酸、碱、盐、有机等环境表现出优异的耐受能力。该碳纳米管水凝胶在大程度压缩下，仍能可逆恢复，这些特性使得碳纳米管水凝胶在创伤性伤口愈合、应急止血带、生物载药、水环境处理、海水淡化等领域具有广泛应用前景。此外，通过本专利技术的方式制备的碳纳米管水凝胶与一般水凝胶相比，具有较高的电导率，因此该水凝胶在新能源器件、可穿戴、水下传感、检测等电子领域具有较好的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1A是本专利技术一典型实施例中一种极端耐受的碳纳米管水凝胶的SEM图；图1B是本专利技术一典型实施例中一种极端耐受的碳纳米管水凝胶的实物图；图2是本专利技术一典型实施例中一种极端耐受的碳纳米管水凝胶与碳纳米管气凝胶的电导率对比图。图3是本专利技术一典型实施例中一种极端耐受的碳纳米管水凝胶的流变学测试结果图；图4是本专利技术一典型实施例中一种极端耐受的碳纳米管水凝胶的压缩性能测试结果图；图5是本专利技术一典型实施例中一种极端耐受的碳纳米管水凝胶的循环压缩性能测试结果图。具体实施方式鉴于现有技术中水凝胶在水传输和环境耐受上的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是通过化学气相沉积技术制备了碳纳米管气凝胶，碳纳米管气凝胶与小分子、高分子水凝胶复合，制备得到可逆双网络结构的、极端耐受的碳纳米管水凝胶。如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等做进一步解释说明，但不能理解为是对本专利技术保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本专利技术的内容对本专利技术作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本专利技术的保护范围。作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的系一种极端耐受的碳纳米管水凝胶的制备方法，其包括：提供碳纳米管气凝胶；以包含小分子和/或高分子的第一水溶液浸润所述碳纳米管气凝胶表面，之后干燥，得到小分子和/或高分子修饰的碳纳米管干凝胶；将所述碳纳米管干凝胶充分浸置于第二水溶液中，获得极端耐受的碳纳米管水凝胶。在一些优选实施例中，所述小分子可以包括乙醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、丁四醇、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。在一些优选实施例中，所述高分子可以包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙三醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、羟甲基纤维素、羧甲基纤维素、壳聚糖、海藻酸钠等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。在一些优选实施例中，所述第一水溶液的浓度为0.05～15.0wt％。在一些优选实施例中，所述浸润的时间为0.5～3h。...

【技术保护点】
1.一种极端耐受的碳纳米管水凝胶的制备方法，其特征在于包括：/n提供碳纳米管气凝胶；/n以包含小分子和/或高分子的第一水溶液浸润所述碳纳米管气凝胶表面，之后干燥，得到小分子和/或高分子修饰的碳纳米管干凝胶；/n将所述碳纳米管干凝胶充分浸置于第二水溶液中，获得极端耐受的碳纳米管水凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种极端耐受的碳纳米管水凝胶的制备方法，其特征在于包括：
提供碳纳米管气凝胶；
以包含小分子和/或高分子的第一水溶液浸润所述碳纳米管气凝胶表面，之后干燥，得到小分子和/或高分子修饰的碳纳米管干凝胶；
将所述碳纳米管干凝胶充分浸置于第二水溶液中，获得极端耐受的碳纳米管水凝胶。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述小分子包括乙醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、丁四醇、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的任意一种或两种以上的组合。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高分子包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙三醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、羟甲基纤维素、羧甲基纤维素、壳聚糖、海藻酸钠中的任意一种或两种以上的组合。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一水溶液的浓度为0.05～15.0wt％。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述浸润的时间为0.5～3h。


6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：将所述碳纳米管气凝胶从第一水溶液中取出，之后于30～120℃烘干0.5～5h，获得所述碳纳米管干凝胶。


7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二水溶液包括水、酸性溶液、碱性溶液、盐溶液中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述酸性溶液所含酸性物质包括盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述碱性溶液所含碱性物质包括氨水、氢氧化钠、氢氧化钾中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述盐溶液所含盐包括硫酸盐、氯化盐、硝酸盐、磷酸盐中的任意一种或两种以上的组合。


8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二水溶液的温度为0～100℃，pH值为0～14。


9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述盐溶液的浓度为0.01～25.50wt％。


10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：采用浮动催化化学气相沉积法及二次沉积法制备得到所述碳纳米管气凝胶。


11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于具体包括：
(1)在保护性气氛中，使化学气相沉积设备的反应腔室升温至800～1400℃，之后至少向所述反应腔室内通入第一碳源、还原气体和催化剂，反应2～10h，得到笼...

【专利技术属性】
技术研发人员：李清文，赵黎明，张永毅，曹培，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32