一种多组分超分子水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多组分超分子水凝胶及其制备方法。所述水凝胶由含强氢键的组分、含弱氢键的组分和水组成；所述含强氢键的组分为氧化碳纳米管、氧化石墨烯、羧基化四氧化三铁纳米粒子、羧基化银纳米粒子、羧基化量子点、聚丙烯酸、聚丙烯醇、聚乙烯醇、聚氨酯、聚酰胺和聚对苯乙烯磺酸钠中的一种或多种；所述含弱氢键的组分为小分子化合物或高分子化合物。本发明专利技术水凝胶的大部分交联力来源于弱氢键，故水凝胶对外界环境的刺激很敏感，当其化学组成合适时，可以在升温、近红外光照射、酸的作用下发生凝胶-溶胶转变，且这种转变是可逆的，即在降温、移去近红外光源、碱的作用下实现溶胶-凝胶转变。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
随着超分子科学的出现，超分子水凝胶自21世纪初开始被广泛关注。相比传统化学法交联得到的水凝胶，超分子水凝胶的三维网络结构由弱相互作用诱导形成。由于弱相互作用对环境的变化极为敏感，且常常具有可逆性，因此，超分子水凝胶不仅保持了传统水凝胶高水含量、生物相容性、环境友好的特点，而且常兼具应激响应、自愈合等优异性质。然而，可实现多种功能的水凝胶，对交联力的类型、强弱等常具有严格的要求。如何有效地调控超分子水凝胶中的交联力，获得具备多种功能的超分子水凝胶，一直是此领域中的难题。碳纳米管是20世纪末才被发现的一种新型一维碳材料。完美的单壁碳纳米管可视为由Sp2键结合的单层石墨烯片沿特定方向卷曲而成的无缝管状结构，而多壁碳纳米管可视为多根同轴单壁管的组合体。卷曲方向的不同，可以使得碳纳米管显示金属性或半导体性。碳纳米管的直径可在0.4nm到数十纳米之间变化，而其长度也可在数百纳米到十几厘米之间变化，长径比可达IO7以上。超高的长径比，管状结构的多样性，管壁上游离的大量η电子，使得碳纳米管在光学、电学、力学、吸附方面具备极优异的性质。碳纳米管具有如许多优异的性质，因此常被用于水凝胶体系。基于碳纳米管的水凝胶，可由纯碳纳米管构成，也可由碳纳米管与其它物质复合而成。由于碳纳米管的存在，这类水凝胶大多具有高于传统水凝胶的导电性与力学强度，而且在吸附、应激响应方面也常具有更优异的表现。然而，具有自愈合功能，或能够同时响应两种以上外界刺激的基于碳纳米管的水凝胶鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，本专利技术提供的方法中，通过改变各组分的相对含量，可简单而有效地调节凝胶中的交联力，进而获得多功能超分子水凝胶。相对于其它水凝胶，本专利技术提供的超分子水凝胶可以同时实现多重响应、自愈合以及环境依赖的粘附行为，可以广泛地应用于传感器、致动器、自愈合材料和可移动智能粘附剂等领域。本专利技术所提供的一种多组分超分子水凝胶，由含强氢键的组分、含弱氢键的组分和水组成；所述含强氢键的组分为氧化碳纳米管、氧化石墨烯、羧基化四氧化三铁纳米粒子、羧基化银纳米粒子、羧基化量子点(如羧基化碳量子点、羧基化硫化锌量子点、羧基化硫化镉量子点或羧基化碲化镉量子点)、聚丙烯酸、聚丙烯醇、聚乙烯醇、聚氨酯、聚酰胺和聚对苯乙烯磺酸钠中的一种或多种；所述含弱氢键的组分为小分子化合物或高分子化合物，所述小分子化合物或所述高分子化合物均为所述含伯胺、仲胺或叔胺的化合物。上述的超分子水凝胶中，所述氧化碳纳米管可采用申请号为200710158315.9或201010263656.4的专利申请中公开的技术方案进行制备；所述氧化石墨烯可采用申请号为201010263656.4的专利申请中公开的技术方案进行制备；所述羧基化四氧化三铁纳米粒子可用 W.Chen, S.Li, C.Chen, L.Yan, Adv.Mater.2011，23，5679 中的方法进行合成。上述的超分子水凝胶中，所述含强氢键的组分与所述含弱氢键的组分的质量比可为 1:33 3500，具体可为 1:100 3500,1:100、1:145、1:250、1:499、1:1000,1:2000 或I:3500o上述的超分子水凝胶中，所述水凝胶中，所述水的质量百分含量可为25% 90%,如 25wt%、37.5wt%、50wt%、62.5wt% 或 75wt%。上述的超分子水凝胶中，所述高分子化合物可为多乙烯多胺、聚乙烯亚胺(分子量为300 3000)、聚己烯亚胺(分子量为300 3000)、第三代聚酰胺胺树枝形闻分子、第四代聚酰胺胺树枝形高分子、第五代聚酰胺胺树枝形高分子或超支化聚酰胺胺；其中，所述第三代聚酰胺胺树枝形高分子、第四代聚酰胺胺树枝形高分子和第五代聚酰胺胺树枝形高分子可按照文献(D.A.Tom, E.Baker, J.Dewald, M.Hall, G.Kalla, S.Martin, J.Raeck, J.Ryderand P.Smith, Macromolecules, 1986, 19, 2466.)报道的方法进行制备；所述超支化聚酰胺胺可按照文献(孙静.超支化聚酰胺合成与研究进展.上海化工，2011，(6): 19-24.)报道的方法进行制备。 上述的超分子水凝胶中，所述小分子化合物可为三聚氰胺。本专利技术进一步提供了上述超分子水凝胶的制备方法，包括如下步骤:(I)配制所述含强氢键的组分的水溶液；(2)向所述含强氢键的组分的水溶液中加入所述含弱氢键的组分并混合均匀，得到悬浮液；(3)所述悬浮液经静置即得所述超分子水凝胶。上述的制备方法中，所述含强氢键的组分的水溶液中，所述含强氢键的组分的质量 _ 体积浓度可为 0.3 15mg/mL,如 0.3 10mg/mL、3mg/mL、4mg/mL 或 10mg/mL。上述的制备方法中，步骤(3)中，所述静置的温度可为5°C 30°C，具体可为12°C，所述静置的时间可Imin 72h,具体可为IOmin 24h、10min、6h、12h或24h。本专利技术提供的制备方法制备的水凝胶中无杂质组分，因此无需额外后处理步骤，可以直接进行使用。本专利技术提供的多组分超分子水凝胶可以作为温度应激响应材料，因此可用于制备温度传感器。其中，温度应激响应是指所述超分子水凝胶随着温度的不同在固态与液态之间发生转变，具体是在高温下变为液态，在低温下变为固态，高温指35 90°C，低温指5 300C。这种温度诱导的凝胶-溶胶可逆转变，是因为在该超分子凝胶体系中，大部分交联力由弱氢键提供，而弱氢键可通过升温而被破坏，从而使得凝胶的三位网络结构可在升温的情况下被破坏。由于弱氢键的可逆性，在较低温度静置一段时间，凝胶网络可得以重构。本专利技术提供的多组分超分子水凝胶可以作为近红外光应激响应材料，因此可用于制备近红外光传感器。其中，所述近红外光应激响应指的是所述超分子水凝胶在有无激光照射的条件下在固态和液态之间进行转变，具体可在连续型1064nm激光或脉冲型1064nm激光，能量为I 10mJ，功率为0.1 IO5W,照射时间为IOs IOmin时，转变为液态；撤除激光后，所得液体可在5 20°C下静置30s 30min回复为不流动的凝胶。这种近红外光诱导的凝胶-溶胶可逆转变，是因为碳纳米管或石墨烯对近红外光的强烈吸收作用及将之转换为热的能力，这种光热效应可用于破坏超分子凝胶体系中的弱氢键，从而瓦解三位凝胶网络。由于弱氢键的可逆性，在较低温度静置一段时间，凝胶网络可得以重构。本专利技术提供的多组分超分子水凝胶可以作为酸碱度(pH值)应激响应材料，因此可用于制备酸碱度传感器；其中，酸碱应激响应是指所述超分子水凝胶随着酸碱度的不同在液态与固态之间进行转变，具体在浓盐酸(凝胶与浓盐酸的体积比可为I 20:1)的作用下，在30s 60min内转变为液态；所得液体可通过加入与盐酸相同物质的量的氢氧化钾或氢氧化钠的固体粉末或浓溶液，搅拌均匀，室温静置30s 60min，回复为不流动的凝胶。这种酸碱(pH值)诱导的凝胶-溶胶可逆转变，是因为在这种超分子凝胶体系中，大部分交联力由氨基键的弱氢键N-H…N提供，而氨基会在酸加入的情况下被质子化，从而使得氨基之间的弱氢键消失，转而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多组分超分子水凝胶，其特征在于：所述水凝胶由含强氢键的组分、含弱氢键的组分和水组成；所述含强氢键的组分为氧化碳纳米管、氧化石墨烯、羧基化四氧化三铁纳米粒子、羧基化银纳米粒子、羧基化量子点、聚丙烯酸、聚丙烯醇、聚乙烯醇、聚氨酯、聚酰胺和聚对苯乙烯磺酸钠中的一种或多种；所述含弱氢键的组分为小分子化合物或高分子化合物，所述小分子化合物或所述高分子化合物均为含伯胺、仲胺或叔胺的化合物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张锦，杜然，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：