一种具有强韧软-硬界面的复合水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及复合水凝胶技术领域，具体为一种具有强韧软

【技术实现步骤摘要】
一种具有强韧软
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硬界面的复合水凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合水凝胶
，具体为一种具有强韧软
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硬界面的复合水凝胶及其制备方法，基于溶剂调控纤维增强相的聚集态。

技术介绍

[0002]复合材料中将弹性模量和机械强度差异较大的不同材料整合时，通常会由于机械性能的不匹配，从而导致软
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硬界面处因应力局部化而过早出现界面失效。目前有许多复合材料因软硬界面应力集中而失效的例子，从骨科应用的人工生物医学植入物到航空航天与汽车行业中的金属复合材料接头，再到柔性电子器件中的功能器件。为了改善软硬结合界面的力学性能失配问题，现有的方法是开发力学梯度非均质材料，这种材料的化学成分或浓度将随厚度逐渐变化，以减少均质材料的力学性能失配。然而，这种方法仅限于弹性模量在相似数量级内的系统，很难在整个复合材料中均匀分布应力。
[0003]在水凝胶应用领域中，通过引入纤维来对水凝胶进行增强是一种很好的方法。然而纤维与水凝胶的简单机械混合难以进一步提升水凝胶的机械性能，反而会由于界面相容性问题在纤维(硬)
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水凝胶(软)界面造成力学性能失配，从而导致复合水凝胶由于界面失效而过早损坏。
[0004]目前大部分改善纤维与基质界面相容性的方法是加入界面增溶剂、对纤维表面改性，引入活性基团实现化学交联以及增强纤维与基体之间的物理交联密度等方法实现。然而现有方法存在以下问题：某些纤维可选择的增溶剂种类少、效果差；表面改性引入活性基团可能会破坏纤维本身性能；某些纤维无法引入氢键以及氢键本身作用力较弱，对纤维与基质的界面结合提升不明显。例如CN110776654B采用的强碱/极性非质子溶剂处理纤维，破坏了纤维本身的结构，不利于水凝胶拉伸强度提升。CN112195528B在碱性环境下使用NaClO对纤维素进行氧化处理以表面改性，使得纤维本身结构遭到破坏。

技术实现思路

[0005]针对上述存在问题或不足，为解决现有复合水凝胶存在纤维与聚合物基质界面相容性差以及界面相容性改善方法单一的问题，本专利技术提供了一种具有强韧软
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硬界面的复合水凝胶及其制备方法，基于溶剂对纤维聚集态调控实现分子链物理穿插互锁的策略。
[0006]一种具有强韧软
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硬界面的复合水凝胶，其结构为细菌纤维素的纤维与树脂聚合物的互穿聚合物网络结构IPN。原料组份按重量份数计：由0～5份的细菌纤维素、10～100份的有机溶剂、10～100份的去离子水、10～100份的树脂和0～5份的交联剂组成，且细菌纤维素和交联剂均不取0。
[0007]所述细菌纤维素是β
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D
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葡萄糖通过β
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1,4
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糖苷键结合成的直链高分子聚合物，其分子链中含有大量羟基，纤维素分子链之间逐级组装成纳米纤维结构，分子结构：
[0008][0009]所述有机溶剂在大气压下沸点≥50℃，分子结构中含有氢键供体或氢键受体，且与水任意比互溶。
[0010]所述树脂作为水凝胶基质。
[0011]所述交联剂根据所用树脂不同相应选择，用于使水凝胶基质的单体之间发生交联反应。
[0012]进一步的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙三醇、丙酮、丁酮、甲酸、乙酸、四氢呋喃、二甲基亚砜和/或二氧六环。
[0013]进一步的，所述树脂为聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸、壳聚糖和/或海藻酸。
[0014]进一步的，所述交联剂为三乙二醇二甲基丙烯酸酯、N,N'
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亚甲基双丙烯酰胺、环氧氯丙烷、甲醛、乙二醛、双三乙醇胺双异丙基钛酸酯和/或硫酸铝。
[0015]上述具有强韧软
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硬界面的复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1、按重量份数记：
[0017]称取10～100份的有机溶剂、10～100份的去离子水、10～100份的树脂和0～5份的交联剂，混匀后得到透明的水凝胶前驱体溶液；交联剂份数不取0。
[0018]称取0～5份的细菌纤维素，在去离子水中浸泡至充分溶胀，细菌纤维素份数不取0。
[0019]步骤2、将步骤1溶胀后的细菌纤维素放入到步骤1所得前驱体溶液中，浸润至前驱体溶液完全扩散进细菌纤维素之中，即细菌纤维素变得透明。
[0020]步骤3、将步骤2中被前驱体溶液完全扩散后的细菌纤维素在模具中固化，固化过程中细菌纤维素分子链间隙中的树脂原位发生聚合反应，形成纤维与聚合物的互穿聚合物网络结构IPN，即得具有强韧软
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硬界面的复合水凝胶。
[0021]进一步的，所述固化过程为光固化，通过在步骤1中加入≤10份的光引发剂至水凝胶前驱体溶液，在步骤3中经波长为320～400nm的长波紫外灯下照射完成固化。
[0022]进一步的，所述光引发剂为I
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2959、I
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1173、I
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184、I
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907、I
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651、I
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1110、I
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907、I
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1105、I
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907、I
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1101、I
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1220、I
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907、I
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1046、I
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1156、I
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810、EHA、MBZ、OMBB、PBZ、ITX、TPO或DETX。
[0023]本专利技术的具体原理：
[0024](1)引入的增强相即细菌纤维素，可在有机溶剂作用下发生结晶可逆转变。低结晶度的纤维素分子链结构无序且排列松散，有利于树脂渗透进入纤维网络。原位发生交联反应的水凝胶基质分子链与纤维素分子链可以形成穿插互锁结构及互穿聚合物网络，改善了增强相与水凝胶基体的界面相容性，提高了水凝胶的抗拉强度。
[0025](2)在不使用碱性溶液的情况下，实现了纤维素结晶度的调控。并且经溶剂调控的纤维素结晶度变化过程是可逆过程，结晶度与溶剂含量有关。
[0026]本专利技术根据高分子物理溶度参数理论、溶剂氢键作用以及相似相溶原理，通过有机溶剂来调控纤维的结晶度，使得纤维表层受限空间分子链的高度有序结构松散化，聚合物单体可渗透进入非晶化纤维的分子链之间，随后原位发生聚合反应，形成纤维与聚合物的互穿聚合物网络结构IPN，从而构建强韧的软
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硬界面连接，并改善纤维与基质的界面相容性，增强水凝胶的抗拉强度。纤维与聚合物的界面互穿聚合物网络结构形成示意图见图1，纤维与水凝胶基质的宏观示意图见图2。
[0027]综上所述，与现有技术相比，本专利技术提供的复合水凝胶材料具有高的抗拉强度，大的断裂伸长率，综合拉伸力学性能优秀；且制备方法简单，易于工业化量产。解决了复合水凝胶存在纤维与聚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有强韧软
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硬界面的复合水凝胶，其特征在于：结构为细菌纤维素的纤维与树脂聚合物的互穿聚合物网络结构IPN；原料组份按重量份数计：由0～5份的细菌纤维素、10～100份的有机溶剂、10～100份的去离子水、10～100份的树脂和0～5份的交联剂组成，且细菌纤维素和交联剂均不取0；所述细菌纤维素是β
‑
D
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葡萄糖通过β
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1,4
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糖苷键结合成的直链高分子聚合物，分子结构：所述有机溶剂在大气压下沸点≥50℃，分子结构中含有氢键供体或氢键受体，且与水任意比互溶；所述树脂作为水凝胶基质；所述交联剂根据所用树脂不同相应选择，用于使水凝胶基质的单体之间发生交联反应。2.如权利要求1所述具有强韧软
‑
硬界面的复合水凝胶，其特征在于：所述有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙三醇、丙酮、丁酮、甲酸、乙酸、四氢呋喃、二甲基亚砜和/或二氧六环。3.如权利要求1所述具有强韧软
‑
硬界面的复合水凝胶，其特征在于：所述树脂为聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸、壳聚糖和/或海藻酸。4.如权利要求1所述具有强韧软
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硬界面的复合水凝胶，其特征在于：所述交联剂为三乙二醇二甲基丙烯酸酯、N,N'
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亚甲基双丙烯酰胺、环氧氯丙烷、甲醛、乙二醛、双三乙醇胺双异丙基钛酸酯和/或硫酸铝。5.如权利要求1所述具有强韧软
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硬界面的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、按重量份数记：称取10～100份的有机溶剂、10～100份的去离子水、10～100份的树脂和0...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚合涛，陈瀚，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：