一種高強度高拉伸雙網絡物理交聯水凝膠及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高分子材料領域，具體涉及一種高強度高拉伸雙網絡物理交聯水凝膠及其制備方法。
【背景技術】
[0002]水凝膠是一種物理交聯或者化學交聯形成的具有三維空間網絡結構且含有大量水的高分子材料。由于其具有良好的生物相容性，刺激響應性以及親水性等功能特性，使得水凝膠在化妝品、生物傳感器、組織工程、藥物運載等領域有著廣泛的應用。但是，傳統的水凝膠內部不均一的結構，以及不能進行有效的能量耗散，且機械性能較差，這在很大程度上限制了水凝膠在高端領域的實際應用。
[0003]現有技術中，出現了幾種具有優良力學性能的高強度水凝膠:如發表在《先進材料KAdvanced Materials, 2003，15，1155)的雙網絡水凝膠；發表在《先進材料KAdvancedMaterials，2002，14，1120)的納米復合水凝膠；發表在《small》(small, 2014, 10, 448 -453)的離子交聯水凝膠；發表在《先進材料》(Advanced Materials，2007，19，1622)的大分子微球復合材料水凝膠。盡管高強度水凝膠的設計和制備已經取得了一些重要的成果，但目前仍未有較簡單的方法制備出高強度超拉伸水凝膠，這都限制了水凝膠在各個領域中的應用。因此，用一種簡單、快捷、靈活的方法制備強韌的高強度水凝膠仍然是一個巨大的挑戰和緊迫的任務。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為克服現有技術的缺陷，提供一種具有優異的機械性能(高強度、高拉伸)并且具有較高自回復性的雙網絡物理交聯水凝膠，所涉及的制備過程簡單易操作。
[0005]本發明所制備的高強度高拉伸水凝膠，是以納米復合水凝膠為第一網絡，然后將其浸泡在三價鐵離子的水溶液中形成離子鍵交聯的雙網絡水凝膠。
[0006]本發明的技術方案包括如下方案中至少一種。
[0007]—種高強度高拉伸性物理水凝膠的制備方法，包括以下制備步驟:
(I)稱取一定量的納米鋰藻土，將其分散在水中，機械攪拌2?5小時后，得到均一的納米鋰藻土水分散液。
[0008](2)將單體丙烯酰胺、丙烯酸加入步驟(I)中得到的鋰藻土懸浮液中，充分攪拌使其混合均勻，通氬氣除氧后，加入引發劑以及催化劑，振蕩均勻，然后將所得溶液密封，置于室溫下反應10?20小時，即得到納米鋰藻土作為物理交聯劑的物理水凝膠。
[0009](3)將步驟(2)中所得到的單網絡物理水凝膠置于FeCl3的水溶液中，浸泡一定時間，即得到雙網絡物理交聯水凝膠。
[0010](4)將步驟(3)中所得到的水凝膠置于去離子水中浸泡40?50小時，即得到高強度高拉伸的雙網絡物理交聯水凝膠。
[0011]進一步地，步驟(I)所述的納米鋰藻土優選為Laponite XLG。
[0012]進一步地，步驟(I)所述的納米鋰藻土相對于水的質量分數為0.5 wt%?2 wt%0
[0013]進一步地，步驟(2)所述引發劑為過硫酸銨或者過硫酸鉀，催化劑為
N, N, N’，N’ -四甲基乙二胺。
[0014]進一步地，步驟(2)所述的引發劑相對于單體的質量為0.2 wt%?0.5 wt%，催化劑N，N, N’，N’ -四甲基乙二胺相對于單體的質量為0.05 wt%?0.2 wt%。
[0015]進一步地，步驟(2)所述的丙烯酸與丙烯酰胺單體的質量摩爾比為10 %?25 %。
[0016]進一步地，步驟(3)所述的FeCl3水溶液濃度為0.06 mol/L。
[0017]進一步地，步驟(3)所述的浸泡時間為30 min?9 h,進一步優選地，浸泡時間為3 h ?9 h0
[0018]與現有技術相比，本發明具有的優點與有益效果如下:
1.本發明所述方法制備的水凝膠，最優配方制備的水凝膠其斷裂應力>3.5 MPa，斷裂應變> 2100%。
[0019]2.本發明所述方法制備的水凝膠，第一網絡與第二網絡均屬于物理交聯，不需要加入任何小分子化學交聯劑。
[0020]3.本發明所述方法制備的水凝膠可通過改變在FeCl3水溶液中的浸泡時間制備不同強度的水凝膠，使水凝膠具有力學性能可調控性，方便易操作。
[0021]4.本發明所述制備方法工藝簡單，原材料簡單易得，人為可控性很強，有利于工業生產。
【具體實施方式】
[0022]下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例1
(I)將0.1 g納米鋰藻土 Laponite XLG分散在10 mL水中，機械攪拌3小時后，得到均一的納米鋰藻土水分散液。
[0023](2)將2.13 g丙烯酰胺、0.3 mL丙烯酸(丙烯酸占丙烯酰胺的物質的量的15%)加入步驟(I)中得到的納米鋰藻土水分散液中，充分攪拌使其混合均勻，通氬氣除氧后，加入引發劑過硫酸銨以及N，N，N’，N’_四甲基乙二胺，振蕩均勻，然后將所得溶液密封，置于室溫下反應16小時，即得到以納米鋰藻土作為物理交聯劑的物理水凝膠。所述的引發劑過硫酸銨與N，N, N’，N’ -四甲基乙二胺分別占單體丙烯酰胺與丙烯酸總質量的0.4 %與0.1%。
[0024](3)將步驟(2)中所得到的水凝膠置于濃度為0.06 mol/L的FeCl3水溶液中，浸泡3小時后，即得到雙網絡物理交聯水凝膠，該水凝膠斷裂應力達到1896 KPa,斷裂應變達到2292%。
[0025](4)將步驟(3)中所得到的水凝膠置于去離子水中浸泡48小時，即得到高強度高拉伸的雙網絡物理交聯水凝膠。該水凝膠斷裂應力達到3557 KPa，斷裂應變達到2112%。
[0026]實施例2
(I)將0.05 g納米鋰藻土 Laponite XLG分散在10 mL水中，機械攪拌2小時后，得到均一的納米鋰藻土水分散液。
[0027](2)將2.13 g丙烯酰胺、0.5 mL丙烯酸(丙烯酸占丙烯酰胺的物質的量的25%)加入步驟(I)中得到的鋰藻土懸浮液中，充分攪拌使其混合均勻，通氬氣除氧后，加入引發劑過硫酸鉀以及N，N, N’，N’ -四甲基乙二胺，振蕩均勻，然后將所得溶液密封，置于室溫下反應20小時，即得到納米鋰藻土作為物理交聯劑的物理水凝膠。所述的引發劑過硫酸鉀與N, N，N’，N’ -四甲基乙二胺分別占單體丙烯酰胺與丙烯酸總質量的0.2 %與0.05 %。
[0028](3)將步驟(2)中所得到的水凝膠置于濃度為0.06 mol/L的FeCl3水溶液中，浸泡9小時后，即得到雙網絡物理交聯水凝膠。該水凝膠斷裂應力達到2338 KPa，斷裂應變達到1951%。
[0029](4)將步驟(3)中所得到的水凝膠置于去離子水中浸泡40小時，即得到高強度高拉伸的雙網絡物理水凝膠。該水凝膠斷裂應力達到2783 KPa,斷裂應變達到1777%。
[0030]實施例3
(I)將0.1 g納米鋰藻土 Laponite XLG分散在10 mL水中，機械攪拌4小時后，得到均一的納米鋰藻土水分散液。
[0031](2)將2.13 g丙烯酰胺、0.4 mL丙烯酸(丙烯酸占丙烯酰胺的物質的量的20%)加入步驟(I)中得到的鋰藻土懸浮液中，充分攪拌使其混合均勻，通氬氣除氧后，加入引發劑過硫酸銨以及N，N，N’，N’_四甲基乙二胺，振蕩均勻，然后將所得溶液密封，置于室溫下反應16小時，即得到以納米