一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：1)将氧化石墨烯分散在去离子水中，冰水浴条件下，加入亚铁盐溶液，反应，得到第一混合溶液；2)在第一混合溶液中加入引发剂和硫酸，得到第二混合溶液；3)在第二混合溶液中加入聚合物单体和双交联剂，得到第三混合液；4)第三混合液在40

【技术实现步骤摘要】
一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及水凝胶
更具体地，涉及一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]水凝胶是一类通过亲水性聚合物交联而成的三维网络，传统的水凝胶在温和的环境下有着广泛的应用，如用于药物释放载体、创伤修复、柔性可穿戴器件、电子皮肤、触摸屏和软体机器人等各个领域。由于水凝胶中大量水的存在，在低于冰点的温度下，凝胶里的水分子结晶使凝胶变硬，失去柔韧性和导电性，这大大限制了凝胶在低端环境下的应用，在凝胶中引入盐或有机抗冻剂能够降低凝胶附近的蒸气压从而降低其结晶点。近年来，已有研究将乙二醇、丙三醇等有机液体混合到水凝胶体系中，获得抗冻性能提高的有机水凝胶。但这类有机溶剂本身的毒性可能会造成环境污染，有损人体健康。此外，有机溶剂的参与往往会降低体系中的含水量，从而无法满足特定领域水凝胶的应用需求。另外有文献报道，通过将水凝胶浸渍于无机盐溶液中，以降低水凝胶的凝固点。这种溶质离子改性水凝胶能使凝胶产生富离子环境，赋予其抗冻性能和一定的保水性能。然而，浓缩的无机盐在水凝胶中易发生结晶，会导致水凝胶材料性能下降，而且这种方法浸渍时间一般长达数天，大大延长了水凝胶的制备周期。
[0003]因此，需要提供一种制备工艺简单，在低温条件下稳定，且具有优异的机械性能和导电性能的抗冻水凝胶。

技术实现思路

[0004]本专利技术的第一个目的在于提供一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的制备方法。
[0005]本专利技术的第二个目的在于提供一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶。
[0006]本专利技术的第三个目的在于提供一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的应用。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)将氧化石墨烯分散在去离子水中，冰水浴条件下，加入亚铁盐溶液，反应，得到第一混合溶液；
[0010]2)在第一混合溶液中加入引发剂和硫酸，得到第二混合溶液；
[0011]3)在第二混合溶液中加入聚合物单体和双交联剂，得到第三混合液；
[0012]4)第三混合液在40
‑
80℃条件下成型，得氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶；
[0013]5)将氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶浸泡于金属盐溶液中8
‑
13小时，即得。
[0014]进一步，在上述方法中，所述聚合物单体选自丙烯酸、丙烯酰胺和乙烯醇中的一种；优选为丙烯酸单体。
[0015]所述氧化石墨烯与聚合物单体的质量比为1:100
‑
1000；优选为1:100
‑
500。其中，本专利技术发现氧化石墨烯与聚合物单体的质量比过大，会出现氧化石墨烯分散不均匀，氧化石墨烯片之间堆叠的现象，因此会影响复合水凝胶的机械性能；氧化石墨烯与聚合物单体的质量比过小，得到的复合水凝胶中分子间相互作用较弱，亦会影响其机械性能。
[0016]所述亚铁盐与聚合物单体的质量比为0.005
‑
0.02:1。优选为0.005
‑
0.013:1，所述亚铁盐溶液可以为硫酸亚铁水溶液、盐酸亚铁水溶液等。
[0017]步骤5)中，所述金属盐溶液浓度为5
‑
20wt％；优选为10
‑
20wt％；更优选为15
‑
20wt％。
[0018]所述金属盐溶液选自钾盐溶液、钠盐溶液、锂盐溶液、镁盐溶液和钙盐溶液中的一种。本专利技术发现，Na
+
跟水的结合能力很强，若金属盐溶液选自钠盐溶液，浸泡时间就需要严格控制，因为浸泡时间略长就可能会导致最终的复合抗冻凝胶在低温条件下失去原来的透明度。
[0019]所述引发剂与聚合物单体的质量比为1:60
‑
100。
[0020]优选的，所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵和过氧化氢中的一种；优选为过氧化氢。所述引发剂能提高反应的速率，降低反应能耗。其中，若引发剂选自过氧化氢，还可以同亚铁盐在酸性条件下形成反应速率极快的芬顿试剂。
[0021]所述引发剂和硫酸的摩尔比为3
‑
0.5:1，优选为2
‑
0.5:1，更优选为2
‑
1:1。其中，硫酸可以起到防止聚合物单体电离的作用。
[0022]所述氧化石墨烯与双交联剂的质量比为1
‑
3:1。
[0023]优选的，所述双交联剂选自N,N'
‑
亚甲基双丙烯酰胺、双丙烯酸乙二醇酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯和二乙烯基苯中的一种。
[0024]根据本专利技术的具体实施方式，将氧化石墨烯分散在去离子水中是为了稀释氧化石墨烯，使氧化石墨烯分散的更均匀，有助于后期均匀的交联，例如，所述氧化石墨烯和蒸馏水的质量比为1:400
‑
4000。
[0025]需要说明的是，首先本专利技术氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的制备方法，由于石墨烯和引发剂的加入，不需要添加额外催化剂，所需反应温度低，合成周期短；其次，本专利技术的制备方法可控性强，通过控制反应物的质量比、盐溶液的浓度及凝胶的浸泡时间，可以得到机械性能、导电性能、抗冻性能不同的氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶；最后，本专利技术还发现氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶浸泡于金属盐溶液的时间在本专利技术范围内可以保证所得氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶在低温条件下长时间保持稳定状态，若浸泡时间过大或过小都会影响该复合抗冻水凝胶对水和盐的稳定作用。
[0026]第二方面，本专利技术提供一种制备方法制得的氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶。
[0027]其中，本专利技术提供的氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶主要通过下述方式提高机械性能、导电性能和抗冻性能：a、氧化石墨烯、聚合物与Fe
3+
形成离子键，分子间相互作用增强；b、聚合物交联形成稳定的网络结构；c、通过盐溶液的浸泡，金属离子与水分子的置换，降低凝胶中水的结晶点，并增强其导电性能。
[0028]另外，本专利技术氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的原料中，氧化石墨烯具有十分优良的力学性能、比表面积大，是常用的增强填料。此外，氧化石墨烯表面有很多羧基，可以功能化修饰聚合物，被修饰的聚合物进一步形成大网络稳定结构，增强凝胶的机械性能并
改变凝胶(水凝胶)的结构。
[0029]第三方面，本专利技术提供一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶在制备导电材料或生物传感器件中的应用。
[0030]需要说明的是，现有技术的抗冻水凝胶，一是通过添加有机抗冻剂乙二醇，甘油等实现降低结晶温度的目的，但是传统的有机抗冻剂会大大降低凝胶的导电率；二是通过溶质离子改性水凝胶赋予其抗冻性能和一定的保水性能，但是常规水凝胶用盐溶液浸泡后应用在导电材料或者传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯/聚合物复合抗冻水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将氧化石墨烯分散在去离子水中，冰水浴条件下，加入亚铁盐溶液，反应，得到第一混合溶液；2)在第一混合溶液中加入引发剂和硫酸，得到第二混合溶液；3)在第二混合溶液中加入聚合物单体和双交联剂，得到第三混合液；4)第三混合液在40
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80℃条件下成型，得氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶；5)将氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶浸泡于金属盐溶液中8
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13小时，即得。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物单体选自丙烯酸、丙烯酰胺或乙烯醇。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯与聚合物单体的质量比为1:100
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1000。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述亚铁盐与聚合物单体的质量比为0.005
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0.02:1。5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述金属盐溶液的浓度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，王姚姚，吴敏，黄勇，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：