一种水凝胶纤维及其制备与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种水凝胶纤维及其制备与应用，该方法包括：将单体、交联剂、紫外光引发剂和溶剂混合得到混合溶液；将混合溶液转移到装有喷丝孔并配有推挤活塞的储液腔中，储液腔喷丝孔连接透明塑形管的一端，储液腔置于紫外光区外，塑形管置于低强度紫外光区内，在塑形管另一端的管口处加装高强度紫外光区；将混合溶液从储液腔中挤出，流经塑形管到达管口经过高强度紫外光区后，即制得水凝胶纤维。本发明专利技术制备方法具有装置简易、可控性高、可连续化生产、成本低廉等优点，市场前景广阔；制备的水凝胶纤维透明、表面光洁、无明显缺陷、外观形貌好，拉伸强度可达到0.237MPa，断裂伸长率可达到734.21％，机械性能优良。机械性能优良。机械性能优良。

【技术实现步骤摘要】
一种水凝胶纤维及其制备与应用


[0001]本专利技术属于水凝胶纤维材料
，具体涉及一种水凝胶纤维及其制备与应用。

技术介绍

[0002]水凝胶作为一种软湿材料，在组织工程、储能设备和柔性电子等领域显示出巨大的应用潜力，但受限于模具加工方式，传统水凝胶常为三维块状凝胶或二维薄膜凝胶，无法满足日益增长的应用需求。而一维的水凝胶纤维相较于块状/薄膜水凝胶具有高比表面积和可编织性，更有利于实际应用。
[0003]目前报道的水凝胶纤维制备方法包括：模具法、3D打印、湿法纺丝、动态聚合法和紫外快速聚合法，以上均存在一些缺点。模具法制备水凝胶纤维无法连续化生产，且水凝胶纤维挤出时易发生磨损导致材料缺陷(Advanced Materials,2015,27,4081
‑
4086)；3D打印依赖于先进的纺丝仪器，难以实现大规模制造(Biotechnology Journal,2017,12,1600671)；湿法纺丝需要对聚合物原料和凝固浴精心设计，通用性欠佳(Advanced Materials,2020,32,1906994)；动态聚合法受限于不可控的热引发自由基反应，纺丝区间较短(CN201911071224.0)；紫外快速聚合法则由于快速聚合形成的不均匀网络表现出较差的机械性能和透明度(CN105133065B、CN106243296B、CN105155011B、CN105155011B)。
[0004]因此，急需发展一种可控连续化制备水凝胶纤维的方法，以克服现有水凝胶纤维生产难以连续化、依赖于先进纺丝设备、通用性差、纺丝可控程度低等问题，丰富水凝胶纤维的应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺点和不足，本专利技术的首要目的在于提供一种水凝胶纤维的制备方法。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供上述方法制备得到的水凝胶纤维。
[0007]本专利技术的再一目的在于提供上述水凝胶纤维的应用。
[0008]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种水凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)将单体、交联剂、紫外光引发剂和水混合得到混合溶液；
[0011](2)将混合溶液转移到装有喷丝孔并配有推挤活塞的储液腔中，储液腔喷丝孔连接透明塑形管的一端，储液腔置于紫外光区外，塑形管置于低强度紫外光区内，在塑形管另一端的管口处加装高强度紫外光区；
[0012](3)将混合溶液从储液腔中挤出，流经塑形管到达管口经过高强度紫外光区后，即制得水凝胶纤维。
[0013]优选地，所述单体为丙烯酰胺、N,N
‑
二甲基丙烯酰胺、N
‑
羟甲基丙烯酰胺、N
‑
羟乙基丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸中的至少一种。
[0014]优选地，所述交联剂为N,N
’‑
亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、微晶纤维素(CAS#：9004
‑
34
‑
6)中的至少一种。
[0015]优选地，所述紫外光引发剂为2
‑
羟基
‑2‑
甲基
‑1‑
[4
‑
(2
‑
羟基乙氧基)苯基]‑1‑
丙酮、2
‑
羟基
‑2‑
甲基
‑1‑
苯基
‑1‑
丙酮、偶氮二异丁脒盐酸盐、α
‑
酮戊二酸中的至少一种。
[0016]优选地，所述混合液中溶剂为水、甘油、乙二醇、1,3
‑
丙二醇、尿素醇溶液、氯化胆碱醇溶液、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑硫酸乙酯、1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐中的至少一种。
[0017]优选地，所述混合液中单体的含量为1～10mol/L，交联剂的含量为单体含量的0.01～5mol％，紫外光引发剂的含量为单体含量的0.1～3mol％。
[0018]优选地，所述喷丝孔的直径为0.1～3mm，长度为5
‑
100mm，形状包括但不限于圆形、三角形、星形等。
[0019]优选地，所述塑形管的材质与溶剂的浸润角大于60
°
，直径和形状与喷丝孔相同，长度为20～200cm。
[0020]优选地，所述紫外光区的波长为200～400nm，所述低强度紫外光区的光强度为10～1000mW/cm2，所述高强度紫外光区的光强度为1000～25000mW/cm2。
[0021]更优选地，所述低强度紫外光区的光强度为10～600mW/cm2，所述高强度紫外光区的光强度为1000～15000mW/cm2。
[0022]优选地，所述挤出的速度为0.01～2mL/min。
[0023]本专利技术制备的水凝胶纤维可应用于柔性电子、医学材料和吸附材料等。
[0024]本专利技术的原理为：将混合溶液逐渐挤入塑形管中，混合溶液流经处于低强度紫外光区的塑形管时，单体逐渐聚合生长为初生凝胶纤维，随之生成的短链聚合物以及未反应的单体、交联剂、紫外光引发剂和水的混合溶液则作为润滑层将初生凝胶纤维与管壁阻隔分开，防止初生凝胶纤维的磨损并保证其挤出的连续性。当初生凝胶纤维到达处于高强度紫外光区的塑形管管口时，自由基聚合反应加剧，初生凝胶纤维内部或表面未完全反应的单体快速形成长链，增加凝胶纤维的交联密度，从而获得稳定的水凝胶纤维。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0026](1)本专利技术提供了一种可控连续化制备水凝胶纤维的方法，通过改变预聚液(混合溶液)的聚合动力学参数——单体浓度、交联剂浓度、紫外光引发剂浓度、紫外光强度、光照时间(通过流速控制)，调控单体聚合成水凝胶纤维过程中润滑层的存在时间，实现水凝胶纤维的无损可控连续化制备。
[0027](2)本专利技术制备方法具有装置简易、可控性高、可连续化生产、成本低廉等优点，市场前景广阔。
[0028](3)本专利技术制备的水凝胶纤维透明、表面光洁、无明显缺陷、外观形貌好，拉伸强度可达到0.237MPa，断裂伸长率可达到734.21％，机械性能优良。
附图说明
[0029]图1为本专利技术水凝胶纤维的制备方法示意图，其中，1
‑
喷丝孔、2
‑
推挤活塞、3
‑
储液腔、4透明塑形管、5
‑
低强度紫外光区、6
‑
高强度紫外光区。
[0030]图2为本专利技术实施例1制备的水凝胶纤维的宏观图像。
[0031]图3为本专利技术实施例1中水溶液与PTFE管的浸润角图片。
[0032]图4为本专利技术实施例1制备的水凝胶纤维的光学显微镜图像(a)、模板法制备的水凝胶纤维的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将单体、交联剂、紫外光引发剂和溶剂混合得到混合溶液；(2)将混合溶液转移到装有喷丝孔并配有推挤活塞的储液腔中，储液腔喷丝孔连接透明塑形管的一端，储液腔置于紫外光区外，塑形管置于低强度紫外光区内，在塑形管另一端的管口处加装高强度紫外光区；(3)将混合溶液从储液腔中挤出，流经塑形管到达管口经过高强度紫外光区后，即制得水凝胶纤维。2.根据权利要求1所述的水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述单体为丙烯酰胺、N,N
‑
二甲基丙烯酰胺、N
‑
羟甲基丙烯酰胺、N
‑
羟乙基丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸中的至少一种。3.根据权利要求1所述的水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述交联剂为N,N
’‑
亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、微晶纤维素中的至少一种。4.根据权利要求1所述的水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述紫外光引发剂为2
‑
羟基
‑2‑
甲基
‑1‑
[4
‑
(2
‑
羟基乙氧基)苯基]
‑1‑
丙酮、2
‑
羟基
‑2‑
甲基
‑1‑
苯基
‑1‑
丙酮、偶氮二异丁脒盐酸盐、α
‑
酮戊二酸中的至少一种。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：严玉蓉，伍绍吉，龚彩红，邱志明，郭熙桃，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：