一种pH响应型水凝胶、其制法及在水泥材料中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种pH响应型水凝胶、其制法及在水泥材料中的应用，该水凝胶按质量份数包含以下组分：明胶与单宁酸的复合体系：15～30份，碱性单体：3～14份，交联剂：1份。其制备方法为：将单宁酸溶液与明胶溶液混合，加入碱性单体，并调节溶液的pH，加入交联剂后得到。该水凝胶在自修复水泥基材料中的应用为，将pH响应型水凝胶分别负载芽孢组分和营养组分掺入水泥砂浆基体内。本发明专利技术的pH响应型水凝胶在高碱性环境下的溶胀能力极低，且在中低碱性与高碱环境下的溶胀性能相差3～7倍，应用于水泥中，可实现裂缝的即时修复。将两组分分别用凝胶固载，可降低其对基体的影响，实现微裂缝的长期修复，大幅延长基体的长期耐久性。大幅延长基体的长期耐久性。大幅延长基体的长期耐久性。

【技术实现步骤摘要】
一种pH响应型水凝胶、其制法及在水泥材料中的应用


[0001]本专利技术涉及一种水凝胶、其制备方法及应用，尤其涉及一种pH响应型水凝胶、其制法及在水泥材料中的应用。

技术介绍

[0002]水泥基材料由于各种内外因会产生微裂缝，有害物质沿着微裂缝进入基体内部便会使基体的长期耐久性降低。因此需要采取一定措施修复微裂缝。目前常用的自修复技术如：形状记忆合金、微胶囊以及中空纤维等，但成本高、修复物储量有限、与基体结合力较差等在一定程度上限制其发展与应用。而微生物自修复技术的矿化沉积产物为碳酸钙，其与水泥基材料的矿物成分相近，与基体结合性好，且其自感应途径多，易于触发。但微生物作为生物体，生命活动受环境条件影响较大，矿化修复时间较长，而混凝土内部的高碱环境对微生物活性的抑制作用明显，影响愈合效果。
[0003]目前已有一些保护微生物的措施，一种是将活细菌培养成细菌芽孢，其为活细菌的休眠状态，在极端恶劣环境下也能长期稳定存在；一种是采用载体材料负载细菌，为细菌提供适宜生存的微环境，保护细菌。其中，载体材料有很多，可分为有机、无机两大类；无机载体包括膨胀粘土、膨胀珍珠岩、陶粒等，有机载体包括微胶囊、水凝胶等。其中的大多数载体材料均为感应到外界开裂后将细菌释放到基体环境实现修复，对细菌的保护作用较弱，而水凝胶具有三维网络状结构，为水感应机制，在修复过程中载体材料不会破坏，可以持续保护细菌。同时，水凝胶溶胀吸收的水不仅可以供给微生物复苏、矿化沉积，当其用于水泥基材料时，还可以通过溶胀实现裂缝的即时封堵，减小裂缝对基体力学性能的影响。
[0004]由于常用于水泥基材料的水凝胶在高碱环境下具有极高的溶胀性能，当其在基体中干缩后将产生较大孔隙，对基体力学性能有较大的负面影响。解决方案是研发适用于水泥基材料的pH响应型水凝胶。目前已有少量关于pH响应型凝胶的研发，如：Gao(Immobilized bacteria with pH
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response hydrogel for self
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healing of concrete，Journal of Environmental Management)等人研发了一种pH响应型水凝胶，但是在中低碱性与高碱性环境下的溶胀能力没有呈现倍数差异，无法实现裂缝的即时修复；Wang(A chitosan based pH
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responsive hydrogel for encapsulation of bacteria for self
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sealing concrete，Cement and Concrete Composites)等人研发了一种可以实现裂缝即时愈合的pH响应型水凝胶，但其在高碱环境的溶胀能力为13.3g/g，仍旧较高，对基体力学性能影响较大。
[0005]本文旨在研发一种pH响应型水凝胶，利用其在高碱环境下的极低溶胀能力显著降低裂缝对水泥基材料的影响，同时利用不同pH环境中的溶胀能力实现混凝土裂缝的即时愈合。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的第一个目的是提供一种在高碱环境下具有较低溶胀性的pH响
应型水凝胶；
[0007]本专利技术的第二个目的是提供一种pH响应型水凝胶的制备方法；
[0008]本专利技术的第三个目的是提供一种pH响应型水凝胶在水泥材料中的应用。
[0009]技术方案：本专利技术所述的pH响应型水凝胶，按质量份数包含以下组分：明胶与单宁酸的复合体系：15～30份，碱性单体：3～14份，交联剂：1份。
[0010]上述pH响应型水凝胶的制备方法，将单宁酸溶液与明胶溶液混合，加入碱性单体，并调节溶液的pH，加入交联剂后得到pH响应型水凝胶。
[0011]优选的，所述溶液的pH值为6.5～7.5。优选用高浓度的NaOH溶液进行调节。
[0012]一种pH响应型水凝胶在自修复水泥基材料中的应用，所述pH响应型水凝胶分别负载芽孢组分和营养组分，负载芽孢组分的pH响应型水凝胶和负载营养组分的pH响应型水凝胶掺入水泥砂浆基体内。
[0013]优选地，所述负载芽孢组分的pH响应型水凝胶和负载营养组分的pH响应型水凝胶的质量比为1：1～1：10。
[0014]优选地，所述自修复水泥基材料通过以下步骤制得：
[0015](1)制备芽孢悬浮液；
[0016](2)制备pH响应型水凝胶溶液；
[0017](3)向一份pH响应型水凝胶溶液中加入溶解的芽孢悬浮液，搅拌后静置，得负载有芽孢组分的水凝胶；向另一份pH响应型水凝胶溶液中加入营养组分，然后进行胶凝化，得负载有营养组分的水凝胶；
[0018](4)将分别负载有芽孢组分和营养组分的pH响应型水凝胶经过洗涤、干燥、研磨成粉，在拌合过程中掺入水泥基体，得到自修复水泥基材料。
[0019]优选地，步骤(2)中，所述pH响应型水凝胶溶液为碱性单体改性后的明胶与单宁酸的复合体系，所述明胶与单宁酸的质量比为10：(1～10)。所述碱性单体在胶与单宁酸的复合体系中的掺量为0.05～0.15mL/mL。优选碱性单体为甲基丙烯酸酐。优选明胶的浓度为100g/L，单宁酸的浓度为10～100g/L。
[0020]优选地，步骤(3)中，所述营养组分为尿素及蛋白胨类物质或酵母浸粉。搅拌均匀后加入高碘酸钠包裹营养物质，使其胶凝。所述尿素与酵母浸粉或酪蛋白胨的质量比为12：(1～10)；所述尿素的浓度为60～180g/L，酵母浸粉或酪蛋白胨的浓度为15～50g/L。高碘酸钠的浓度为21.4g/L。
[0021]优选地，步骤(1)中，所述芽孢为脲酶菌，培养基采用15g/L酪蛋白胨、5g/L大豆蛋白胨、5g/L氯化钠、0.5g/L MnSO4，30℃、150rpm培养64～72h；所述芽孢悬浮液由无菌去离子水于8000rpm、10min离心洗涤3～5次得到的，洗涤后悬浮于8.5g/L无菌氯化钠溶液中，芽孢悬浮液的浓度为(1～9)
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109cell/mL。优选芽孢悬浮液是通过8000rpm离心5～10min，倒去上清液，1mL去离子水溶解对应体积沉积物得到的。
[0022]步骤(4)中干燥的方式为冷冻干燥，优选温度为
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60℃，冻干2～5d。自修复体系的养护条件有干湿循环、浸泡环境。
[0023]上述制备过程中将细菌芽孢及营养物质分开固载可以构成双功能组分，当裂缝出现后，固载微生物的凝胶吸收带营养物质的液态水，微生物感应到外界刺激而复苏并发生矿化沉积作用，实现裂缝愈合的效果。
[0024]有益效果：本专利技术与现有技术相比，取得根据下显著效果：1、pH响应型水凝胶为碱性单体改性后的明胶与单宁酸的复合体系，由于碱性单体在凝胶表面形成一层膜，在高碱性环境下的溶胀能力极低。2、该pH响应型水凝胶在中低碱性与高碱环境下的溶胀性能相差3～7倍，应用于水泥中，可实现裂缝的即时修复。3、该pH响应型水凝胶的制备方法简单，通过调控碱性单体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种pH响应型水凝胶，其特征在于，按质量份数包含以下组分：明胶与单宁酸的复合体系：15～30份，碱性单体：3～14份，交联剂：1份。2.一种pH响应型水凝胶的制备方法，其特征在于，将单宁酸溶液与明胶溶液混合，加入碱性单体，并调节溶液的pH，加入交联剂后得到pH响应型水凝胶。3.根据权利要求2所述pH响应型水凝胶的制备方法，其特征在于，所述溶液的pH值为6.5～7.5。4.一种pH响应型水凝胶在自修复水泥基材料中的应用，其特征在于，所述pH响应型水凝胶分别负载芽孢组分和营养组分，负载芽孢组分的pH响应型水凝胶和负载营养组分的pH响应型水凝胶掺入水泥砂浆基体内。5.根据权利要求3所述pH响应型水凝胶在自修复水泥基材料中的应用，其特征在于，所述负载芽孢组分的pH响应型水凝胶和负载营养组分的pH响应型水凝胶的质量比为1：1～1：10。6.根据权利要求3所述pH响应型水凝胶在自修复水泥基材料中的应用，其特征在于，所述自修复水泥基材料通过以下步骤制得：(1)制备芽孢悬浮液；(2)制备pH响应型水凝胶溶液；(3)向一份p...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞兴，张思逸，章炜，金鹏，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：