CN102120787B

CN102120787B - 一种石墨烯/n-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶的制备方法

Info

Publication number: CN102120787B
Application number: CN201110006713A
Authority: CN
Inventors: 李耀刚; 侯成义; 王宏志; 张青红; 朱美芳
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2031-01-13
Also published as: CN102120787A

Abstract

本发明涉及一种石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶的制备方法，包括：(1)制备水分散型石墨烯/Fe₃O₄复合粉体；(2)将上述复合粉体加入到含有N-异丙基丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾的水溶液中，超声得分散相；将N，N，N′，N′-四甲基乙二胺加入到食用油中，超声得连续相；(3)将上述分散相和连续相溶液分别装入注射器中，置于两台推进泵上，连接微通道反应器，使两相在微通道中相遇，随着推进泵的推进，液滴在微通道反应器中流动，发生聚合反应，收集产物，洗涤，即得。本发明工艺简单，聚合条件温和，反应时间短；本发明制备的微凝胶粒径均一、可控，对外界磁场有良好的响应。

Description

一种石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶的制备方法

技术领域

本发明属N-异丙基丙烯酰胺微凝胶的制备领域，特别是涉及一种石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶的制备方法。

背景技术

高分子凝胶以及其衍生物在外界刺激(温度、pH值、光、电、磁等)下，内部会发生相转变从而导致体积发生变化。这种具有相转变性能的凝胶在科学研究以及应用领域方面的巨大前景引起了科学家广泛的关注。N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)凝胶的相转变温度在33℃左右，并可以与其他单体共聚或者均聚以改变其相转变温度，处于生物物质保存活性范围内，在医药工程和生物技术领域有着广阔的应用前景。传统的高分子化学交联PNIPAAm凝胶的机械强度低，在外界刺激下相转变敏感程度低，限制了其的应用领域。K.Haraguchi等人在Advanced Materials 14(2002)1120-1124上首次报道了一种新型有机-无机网络交联的PNIPAAm/蒙脱土复合凝胶，极大地提高了PNIPAAm凝胶的机械强度。M.Zhu等人随后在Journal ofPolymer Science Part A-Polymer Chemistry 44(2006)6640-6645和Polymer 47(2006)1-5上报道了对于不同蒙脱土含量对PNIPAAm凝胶机械强度和溶涨性能影响的研究，研究表明，有机-无机网络交联作用对PNIPAAm的溶涨性能有显著提高。

过去几年里，石墨烯已经成为了备受瞩目的研究热点。研究表明，石墨烯具有超薄、超坚固和超强导电性能等特性，可望在纳米电子器件、复合材料、能量存储以及生物医学等领域获得广泛应用。此外，研究者还发现，石墨烯基复合材料可以显著提高复合物的硬度、电导率等性能，因此，石墨烯基复合材料有极大的潜力应用在PNIPAAm复合凝胶中作为一种新型、功能化的无机交联剂。

在诸多的功能化无机复合材料中，磁功能化赋予了复合材料在生物、医药等领域的应用潜力，与PNIPAAm凝胶的应用前景相吻合。T.Wang等在Journal ofMaterials Chemistry20(2010)5538-5543上报道了利用微波辅助加热并煅烧的方法制备了石墨烯/Fe₃O₄复合粉体，Fe₃O₄的粒径为20～70nm。Y.Chen等在Journal of Physical Chemistry C 114(2010)17465-17471上报道了将氧化石墨与Fe₃O₄热还原得到石墨烯/Fe₃O₄复合薄膜的方法。H.P.Cong等在Small 6(2)(2010)169-173上报道了将氧化石墨热还原制备得到石墨烯后再与Fe₃O₄进行复合制备石墨烯/Fe₃O₄复合物的方法。申请人在Carbon 49(2011)47-53上报道了一步溶剂热法制备石墨烯/Fe₃O₄复合粉体的方法，得到的Fe₃O₄的粒径为100nm左右。目前制备石墨烯/Fe₃O₄复合材料的方法主要存在以下缺陷：工艺步骤较多、成本较高，而且所制得的复合物在水溶液中的分散性不好，限制了这种材料与PNIPAAm凝胶的复合。因此寻找工艺简便、适合工业化生产的制备在水中分散性好、结晶好、不易团聚、磁化强度较高的石墨烯/Fe₃O₄复合材料的方法日渐成为研究的热点。目前未见制备如上所述水分散型石墨烯/Fe₃O₄复合粉体的报道。

近几年以来，具有各种形状和化学性能的微米、亚微米大小的高分子微粒的控制制备越来越受到关注。这种微粒不仅有助于在自组装和悬浮液流变学方面开展基础研究并且在医药诊断、光子器件等各个方面都有广泛的应用前景。微流体技术及微反应器的出现给制备单分散、多功能的聚合物微球带来了新的生机。微通道反应器也称为微结构或微反应器，与传统的反应器相比，微反应器的结构小而精密，具有高的传热、传质和反应效率。另外，在微反应器中，液体的流动属于层流，不会产生紊乱，给聚合物的界面反应提供了机会。两种层流流体的界面间存在表面张力，在一个两相的流动体系中，表面张力和流体本身粘滞力的平衡情况决定了流体的结构，随体系参数的变动，液流会转变为液滴，对流体的性质或流速做小的变动，就能产生不同尺寸的液滴，且如此形成的液滴粒径均一，可用来制备单分散的微球或胶囊。将相应的微流体技术应用到凝胶领域可以制备出微米级别、粒径均一、单分散且多功能化的微凝胶，合成的微凝胶有望直接应用于微通道和微反应装置中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶的制备方法，本发明工艺简单，聚合条件温和，反应时间短，适合于工业化生产；本发明制备的微凝胶粒径均一、可控，粒径大小为300～1000μm，对外界磁场有良好的响应。

本发明的一种石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶的制备方法，包括：

(1)水分散型石墨烯/Fe₃O₄复合粉体的制备

在室温下，将氧化石墨、聚苯乙烯磺酸钠加入水中，超声分散，形成石墨烯反应液后升温至90～110℃，反应8～16h，然后在室温下，将铁盐、亚铁盐在氮气气氛保护下加入所述反应液中，再加入氨水，降温至70～90℃，反应20～40min，再加入油酸继续反应80～100min，最后冷却至室温，用磁铁收集产物，洗涤，烘干即得；

(2)分散相和连续相溶液的制备

将上述水分散型石墨烯Fe₃O₄复合粉体加入到含有N-异丙基丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾的水溶液中，超声分散均匀，形成分散相；将N，N，N′，N′-四甲基乙二胺加入到食用油中，超声分散均匀，形成连续相；

(3)微反应器中原位聚合制备复合微凝胶

将上述分散相和连续相溶液分别装入注射器中，置于两台推进泵上，连接微通道反应器，使两相在微通道中相遇，并不断生成尺寸均一的液滴；随着推进泵的推进液滴在微通道反应器中流动，在1～3s内经过40～60℃的水浴，发生聚合反应，收集产物，洗涤，即得复合微凝胶。

所述步骤(1)中的氧化石墨与聚苯乙烯磺酸钠的质量比为1∶5～1∶20，氧化石墨与水的质量体积比为50～200mg∶100ml。

所述步骤(1)中的超声功率为200～400W，时间为30～60min，烘干温度为40～80℃，时间为12～24h。

所述步骤(1)中的铁盐与亚铁盐的质量比为2.70∶1～2.75∶1，铁盐、亚铁盐质量之和氧化石墨质量的比为1∶1～5∶1，铁盐之和与氨水的质量体积比为1g∶2ml，氨水与油酸的体积质量比为1ml∶0.0752g，氨水的质量浓度为25％，其中铁盐为六水合三氯化铁FeCl₃·6H₂O，亚铁盐为四水合二氯化铁FeCl₂·4H₂O。

所述步骤(2)中水分散型石墨烯/Fe₃O₄复合粉体、N-异丙基丙烯酰胺、过硫酸钾质量浓度分别为0.01～0.02g/ml、0.05～0.1g/ml、0.001～0.005g/ml。

所述步骤(2)连续相中N，N，N′，N′-四甲基乙二胺的体积浓度为4％～15％。

所述步骤(2)中两次超声功率均为200～400W，超声时间为10～30min。

所述步骤(3)中微通道反应器通道的直径为300～1000μm，分散相流速为1.8～3.6ml/h，连续相流速为18～72ml/h。

所述步骤(1)中的用去离子水洗涤产物，所述步骤(2)中用丙酮溶液洗涤产物。

本发明中使用的微通道反应器来自专利申请号：200810200360.0，发明名称为一种共轴微通道反应器的制备方法。

本发明首先将水分散型石墨烯/Fe₃O₄复合粉体分散到N-异丙基丙烯酰胺、和过硫酸钾的水溶液中，作为分散相；将N，N，N′，N′-四甲基乙二胺分散到食用油中，作为连续相。然后将分散相溶液和连续相溶液分别装入注射器中，置于两台推进泵上，连接微通道反应器，调整分散相和连续相的流速，推进注射器，在微通道反应器中生成尺寸均一的液滴，在40～60℃水浴中聚合反应1～3s，收集、洗涤后获得单分散磁功能化石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶微球。

有益效果

1、本发明的工艺简单，聚合条件温和，反应时间短，适合于工业化生产；

2、本发明中所得的石墨烯/Fe₃O₄复合粉体在水中分散性好、结晶好、不易团聚、磁化强度较高。

3、本发明所制备的石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶粒径均一、可控，粒径大小为300～1000μm，对外界磁场有良好的响应。

附图说明

图1为实施例1制备的复合微凝胶的光学显微镜图片；

图2为实施例1制备的复合微凝胶的磁响应照片；

图3为实施例2制备的复合微凝胶的光学显微镜图片；

图4为实施例3制备的复合微凝胶的光学显微镜图片；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

称取100mg氧化石墨、1g聚苯乙烯磺酸钠加入烧杯，再加入100ml去离子水，在300W功率下超声分散45min，待分散均匀后，再将上述分散液倒入三颈烧瓶中，升温至100℃，反应12h。称取366mg六水合氯化铁、134mg四水合氯化亚铁在氮气气氛保护下加入上述反应液中，再加入1ml氨水，降温至80℃反应30min，随后加入0.0752g油酸继续反应90min。反应结束，用磁铁收集产物，并用去离子水洗涤产物，然后将产物在60℃下干燥18h，得到石墨烯/Fe₃O₄复合粉体。

将0.1g上述复合粉体、1gN-异丙基丙烯酰胺和0.01g过硫酸钾与10ml去离子水混合，在200W功率下超声分散30min，得到分散相溶液；量取0.5ml的N，N，N′，N′-四甲基乙二胺加入到10ml食用油中，在200W功率下超声分散30min，得到连续相溶液。

将分散相溶液和连续相溶液分别装入注射器中，置于两台推进泵上，连接微通道反应器，设置分散相流速为1.8ml/h，连续相流速为18ml/h，推进注射器，使两相在直径为1000μm的微通道反应器中相遇，生成尺寸均一的液滴，在40℃水浴中聚合反应3s，收集、用丙酮洗涤后得到单分散磁功能化石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶微球。图1为制备得到的微球的光学显微镜图片，可以看出微球粒径均一，具有单分散性，粒径为1000μm左右。图2为制备得到的微球在外界磁场作用下产生响应的数码照片，可以看出复合微凝胶微球具有良好的磁性。

实施例2

称取50mg氧化石墨、1g聚苯乙烯磺酸钠加入烧杯，再加入100ml去离子水，在200W功率下超声分散60min，待分散均匀后，再将上述分散液倒入三颈烧瓶中，升温至110℃，反应8h。称取110mg六水合氯化铁、40mg四水合氯化亚铁在氮气气氛保护下加入上述反应液中，再加入0.3 ml氨水，降温至70℃反应40min，随后加入0.0226g油酸继续反应80min。反应结束，用磁铁收集产物，并用去离子水洗涤产物，然后将产物在40℃下干燥24h，得到石墨烯/Fe₃O₄复合粉体。

将0.15g上述复合粉体、0.75gN-异丙基丙烯酰胺和0.03g过硫酸钾与10ml去离子水混合，在300W功率下超声分散20min，得到分散相溶液；量取1ml的N，N，N′，N′-四甲基乙二胺加入到10ml食用油中，在300W功率下超声分散20min，得到连续相溶液。

将分散相溶液和连续相溶液分别装入注射器中，置于两台推进泵上，连接微通道反应器，设置分散相流速为2.7ml/h，连续相流速为45ml/h，推进注射器，使两相在直径为800μm的微通道反应器中相遇，生成尺寸均一的液滴，在50℃水浴中聚合反应2s，收集、用丙酮洗涤后得到单分散磁功能化石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶微球。图3为制备得到的微球的光学显微镜图片，可以看出微球粒径均一，具有单分散性，粒径为500μm左右。磁力测试实验表明该复合微凝胶微球具有良好的磁性。

实施例3

称取200mg氧化石墨、1g聚苯乙烯磺酸钠加入烧杯，再加入100ml去离子水，在400W功率下超声分散30min，待分散均匀后，再将上述分散液倒入三颈烧瓶中，升温至90℃，反应16h。称取146mg六水合氯化铁、54mg四水合氯化亚铁在氮气气氛保护下加入上述反应液中，再加入0.4ml氨水，降温至90℃反应20min，随后加入0.0301g油酸继续反应100min。反应结束，用磁铁收集产物，并用去离子水洗涤产物，然后将产物在80℃下干燥12h，得到石墨烯/Fe₃O₄复合粉体。

将0.2g上述复合粉体、0.5gN-异丙基丙烯酰胺和0.05g过硫酸钾与10ml去离子水混合，在400W功率下超声分散10min，得到分散相溶液；量取1.5ml的N，N，N′，N′-四甲基乙二胺加入到10ml食用油中，在400W功率下超声分散10min，得到连续相溶液。

将分散相溶液和连续相溶液分别装入注射器中，置于两台推进泵上，连接微通道反应器，设置分散相流速为3.6ml/h，连续相流速为72ml/h，推进注射器，使两相在直径为300μm的微通道反应器中相遇，生成尺寸均一的液滴，在60℃水浴中聚合反应1s，收集、用丙酮洗涤后得到单分散磁功能化石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶微球。图4为制备得到的微球的光学显微镜图片，可以看出微球粒径均一，具有单分散性，粒径为300μm左右。磁力测试实验表明该复合微凝胶微球具有良好的磁性。

Claims

1.一种石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶的制备方法，包括：

（1）在室温下，将氧化石墨、聚苯乙烯磺酸钠加入水中，超声分散，形成石墨烯反应液后升温至90~110°C，反应8~16h，然后在室温下，将铁盐、亚铁盐在氮气气氛保护下加入所述反应液中，再加入氨水，降温至70~90°C，反应20~40min，再加入油酸继续反应80~100min，最后冷却至室温，用磁铁收集产物，洗涤，烘干即得水分散型石墨烯/Fe₃O₄复合粉体；

（2）将上述水分散型石墨烯/Fe₃O₄复合粉体加入到含有N-异丙基丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾的水溶液中，超声分散均匀，形成分散相；将N,N,N',N'-四甲基乙二胺加入到食用油中，超声分散均匀，形成连续相；

（3）将上述分散相和连续相溶液分别装入注射器中，置于两台推进泵上，连接微通道反应器，使两相在微通道中相遇，并不断生成尺寸均一的液滴；随着推进泵的推进液滴在微通道反应器中流动，在1~3s内经过40~60℃的水浴，发生聚合反应，收集产物，洗涤，即得复合微凝胶；

所述步骤（1）中的氧化石墨与聚苯乙烯磺酸钠的质量比为1:5~1:20，氧化石墨与水的质量体积比为50~200mg:100ml；

所述步骤（1）中的铁盐与亚铁盐的质量比为2.70:1~2.75:1，铁盐、亚铁盐质量之和与氧化石墨质量的比为1:1~5:1，铁盐之和与氨水的质量体积比为1g:2ml，氨水与油酸的体积质量比为1ml:0.0752g，氨水的质量浓度为25%，其中铁盐为六水合三氯化铁FeCl₃·6H₂O，亚铁盐为四水合二氯化铁FeCl₂·4H₂O；

所述步骤（2）中水分散型石墨烯/Fe₃O₄复合粉体、N-异丙基丙烯酰胺、过硫酸钾质量浓度分别为0.01~0.02g/ml、0.05~0.1g/ml、0.001~0.005g/ml；

所述步骤（2）连续相中N,N,N',N'-四甲基乙二胺的体积浓度为4%~15%；所述步骤（3）中微通道反应器通道的直径为300~1000μm，分散相流速为1.8~3.6ml/h，连续相流速为18~72ml/h。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的超声功率为200~400W，时间为30~60min，烘干温度为40~80°C，时间为12~24h。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺复合微凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中两次超声功率均为200~400W，超声时间为10~30min。