一种基于纳米凝胶增强的物理水凝胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米凝胶增强的物理水凝胶及其制备方法与应用，属于高分子材料技术领域。本发明专利技术首先通过共聚N

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米凝胶增强的物理水凝胶及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于高分子材料
，涉及凝胶制备技术，尤其涉及基于纳米凝胶增强的物理水凝胶及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]水凝胶是具有可调整理化性质的水合聚合物网络，在过去几十年中被广泛用于不同的领域，如组织工程、药物载体、生物工程、传感器和强化采油等。
[0003]在各种水凝胶中，聚丙烯酰胺水凝胶最易制备，研究最广泛。然而，传统的聚丙烯酰胺水凝胶具有永久交联和不均匀的网络，性能相对脆弱，且具有不可修复性和非智能性，大大限制了水凝胶的实际应用。为了改善聚丙烯酰胺水凝胶综合性能，业界提出了许多方案，如设计双网络水凝胶、纳米复合水凝胶、超分子水凝胶以及滑环水凝胶等。
[0004]纳米凝胶填充是制备高强韧复合水凝胶的有效策略，利用变形过程中纳米凝胶的断裂来消散能量。然而，目前添加的纳米填料与水凝胶基体界面作用差，相容性差，纳米填料在水凝胶基体中容易发生聚集，这对水凝胶机械性能的提高是极为不利的。如何改善纳米填料与水凝胶基质相容性及界面相互作用，已经成为纳米填料增强水凝胶基质领域丞待解决的首要问题。为此，研究者们使用纳米凝胶来交联水凝胶，其增韧作用依赖于纳米尺寸效应和纳米凝胶的共价交联。然而由于目前纳米凝胶尺寸较大，且与水凝胶相容性较差，使得增韧效果十分有限。
[0005]因此，开发出综合机械性能优异、且可修复的智能聚丙烯酰胺基水凝胶，仍是本领域研究拓展聚丙烯酰胺水凝胶应用的重点问题。

技术实现思路

[0006]针对目前复合水凝胶机械性能难以得到有效改善的技术问题，本专利技术的目的旨在提供一种基于纳米凝胶增强的物理水凝胶及其制备方法，首先通过静电斥力和两亲性分子延长疏水大分子的成核和沉淀过程，从而阻碍凝胶颗粒尺寸的生长，制备出尺寸较小的纳米凝胶；再以纳米凝胶作为增强填料，通过水凝胶的聚合物链和纳米凝胶缠绕和互穿，制备出具有优异力学性能的高强度物理水凝胶。
[0007]本专利技术的另一目的旨在提供上述高强度物理水凝胶的应用。
[0008]针对本专利技术的第一个目的，本专利技术提供的基于纳米凝胶增强的物理水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)制备纳米凝胶水溶液
[0010]以6
‑
8份N
‑
异丙基丙烯酰胺、0
‑
3份含有不饱和C＝C键的阴离子化合物、0.12
‑
0.16份N,N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺、0.12
‑
0.14份两亲性分子、0.12
‑
0.14份水溶性引发剂A和400
‑
600份去离子水为原料在脱氧条件下于50
‑
75℃搅拌反应4
‑
8h得到纳米凝胶水溶液；所述纳米凝胶水溶液中纳米凝胶质量分数为1.0％～2.8％；
[0011](2)制备初始水凝胶
[0012]将60份丙烯酰胺、1
‑
4份纳米凝胶水溶液、1
‑
6份含有不饱和C＝C键的酸或酸酐、0.02
‑
0.04份水溶性促进剂和160
‑
240份去离子水混合，之后在脱氧条件下，向所得混合液中加入0.02
‑
0.04份水溶性引发剂B后，于25
‑
35℃静置反应至凝胶状，得到初始水凝胶；
[0013](3)制备物理水凝胶
[0014]室温下，将初始水凝胶浸泡于0.06
‑
0.12M的金属离子水溶液中6
‑
15h，随后取出再浸泡在去离子水中15
‑
24h，最后转移到质量分数为15
‑
45％的聚乙二醇水溶液中浸泡5
‑
10h，即得到物理水凝胶。
[0015]上述步骤(1)中，首先将N
‑
异丙基丙烯酰胺、含有不饱和C＝C键的阴离子化合物、N,N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺、两亲性分子、水溶性引发剂A和去离子水混合，在脱氧条件下，于50
‑
75℃搅拌反应4
‑
8h，得到纳米凝胶的反应液；所得反应液经透析得到纳米凝胶水溶液。在优选实现方式中，纳米凝胶水溶液中的纳米凝胶质量分数为1.4％～2.4％。通过以下方式实现脱氧条件：在搅拌条件下向所得混合液通入氮气以除去混合液中的溶解氧，或者通过真空泵抽气的方式除去混合液中的溶解氧；通入氮气或真空抽气时间为10
‑
15min。除去混合液中溶解氧后，再将混合液置于50
‑
75℃水浴或油浴中继续在脱氧条件下搅拌反应。上述透析具体操作为，将所得反应液置于截留分子量为1000Da～3000Da透析袋，在去离子水中透析1
‑
3周即可，透析过程两天换一次去离子水。
[0016]上述步骤(1)中，所述含有不饱和C＝C键的阴离子化合物优选为1
‑
2份，其为丙烯酸、马来酸酐、乙烯基磺酸或2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸等；所述两亲性分子为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十六烷基三甲基氯化铵等。
[0017]上述步骤(2)中，通过以下方式实现脱氧条件：在搅拌条件下，向所得混合液通入氮气以除去混合液中的溶解氧，或者通过真空泵抽气的方式除去混合液中的溶解氧；通入氮气或真空抽气时间为10
‑
15min。本步骤中可以通过水浴或油浴加热方式控制在25
‑
35℃，反应时间为24
‑
48h。
[0018]上述步骤(2)中，所述不饱和C＝C键的酸或酸酐为丙烯酸、马来酸酐或衣康酸。所述水溶性促进剂为四甲基乙二胺或五甲基二乙烯三胺。所述水溶性引发剂A和水溶性引发剂B相同或不同，均选自过硫酸钾或过硫酸铵。
[0019]上述步骤(3)中，首先将初始水凝胶放入金属离子水溶液中进行浸泡，由于纳米凝胶和水凝胶基体聚合物链上均存在阴离子官能团，进一步通过与金属离子交联，使得强大的金属离子键既存在与水凝胶聚合物链上，也存在于水凝胶聚合物链与纳米凝胶之间，很好地分散应力，从而使最终得到的物理水凝胶具有优异的力学性能。所述金属离子水溶液为铁离子水溶液、钙离子水溶液或铜离子水溶液，是由铁盐、钙盐或铜盐溶解于去离子水中得到。
[0020]然后将从金属离子水溶液中取出的水凝胶放入过量去离子水中浸泡，以去除多余的金属离子。
[0021]再将从去离子水中取出的水凝胶放入聚乙二醇水溶液中浸泡，以促进更多的阴离子与金属离子参与缔合。所述聚乙二醇重均分子量为10000
‑
40000。
[0022]本专利技术通过上述方法制备的物理水凝胶，以纳米凝胶与水凝胶基体通过金属离子交联形成强大网络结构，其断裂伸长率超过2000％，断裂强度超过10MPa表现出优异的力学性能；且该物理水凝胶还具有良好的可修复性和热敏性。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米凝胶增强的物理水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备纳米凝胶水溶液以6
‑
8份N
‑
异丙基丙烯酰胺、0
‑
3份含有不饱和C＝C键的阴离子化合物、0.12
‑
0.16份N,N
′‑
亚甲基双丙烯酰胺、0.12
‑
0.14份两亲性分子、0.12
‑
0.14份水溶性引发剂A和400
‑
600份去离子水为原料在脱氧条件下于50
‑
75℃搅拌反应4
‑
8h得到纳米凝胶水溶液；所述纳米凝胶水溶液中纳米凝胶质量分数为1.0％～2.8％；(2)制备初始水凝胶将60份丙烯酰胺、1
‑
4份纳米凝胶水溶液、1
‑
6份含有不饱和C＝C键的酸或酸酐、0.02
‑
0.04份水溶性促进剂和160
‑
240份去离子水混合，之后在脱氧条件下，向所得混合液中加入0.02
‑
0.04份水溶性引发剂B后，于25
‑
35℃静置反应至凝胶状，得到初始水凝胶；(3)制备物理水凝胶室温下，将初始水凝胶浸泡于0.06
‑
0.12M的金属离子水溶液中6
‑
15h，随后取出再浸泡在去离子水中15
‑
24h，最后转移到质量分数为15
‑
45％的聚乙二醇水溶液中浸泡5
‑
10h，即得到物理水凝胶。2.根据权利要求1所述的纳米凝胶增强的物理水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，首先将N
‑
异丙基丙烯酰胺、含有不饱和C＝C键的阴离子化合物、N,N
′‑
亚...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴锦荣，袁朝阳，郑静，曹振兴，吴睿，徐琼筠，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：