CN105155025B - 一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法 - Google Patents
一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，包括：将光引发剂和无机纳米粘土Clay加入到PEGDA的水溶液中，避光搅拌至光引发剂完全溶解，得到Clay/PEGDA纺丝液；将得到的纺丝液通入水浴，设置紫外光点光源，引发纺丝液中PEGDA的自由基聚合反应，得到Clay/PEGDA初生水凝胶纤维；对得到的初生水凝胶纤维进行牵伸，即得。本发明的方法制备得到的杂化水凝胶纤维结构稳定，力学性能好，对水凝胶材料的开发应用和后期加工有着非常重要的意义。本发明的制备方法可以通过调整纺丝液配比、挤出速率和卷绕速率等，可以实现水凝胶纤维直径的可控。
Description
技术领域
本发明属于水凝胶纤维的制备领域，特别涉及一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法。
背景技术
水凝胶是一类由有机高分子与水组成的具有三维网络结构的软湿性材料，但仅由有机组分构成的水凝胶力学性能不佳，通过有机/无机杂化技术，是提高水凝胶力学性能和结构稳定性的有效方法。但这种杂化水凝胶体系由于有机/无机组分间强烈的氢键、缠绕等物理相互作用，通常仅能通过模板成型加工成3维材料(体凝胶)，大大限制了其应用。制备连续的1维(凝胶纤维)杂化水凝胶材料，对丰富有机/无机杂化水凝胶的应用有重要意义。
人们根据水凝胶的物化特性，设计了一系列水凝胶纤维的制备方法。其中，哈尔滨工业大学的林秀玲博士利用静电纺丝制备了PU/PNIPAAm电纺纤维，但这种方法仅能获得无纺布薄膜；国外研究学者基于微流体管制备的水凝胶纤维不能连续收集，直径难以调控；东华大学顾丽霞教授等在《功能高分子学报》中发表了利用先聚合后湿法纺丝的二步法加工过程，制备了PVA/PAA水凝胶纤维，但由于凝胶的三维网络结构在纺丝前已经形成，因此不能进行牵伸和连续收集；此外，一些海藻酸钠、PAN水凝胶纤维的结构本质是高分子链的缠绕，这种纤维在特殊的离子环境下易解离，结构稳定性不佳，且制备过程对分子量要求高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，该方法是基于物理/化学双重交联体系的动态自由基聚合水凝胶纤维连续制备方法，制备得到的水凝胶纤维结构稳定，力学性能好。该制备方法中通过调整纺丝液配比、挤出速率和卷绕速率等，可以实现水凝胶纤维直径的可控。
本发明的一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，包括：
(1)将光引发剂和无机纳米粘土Clay加入到质量分数为10％-30％的聚乙二醇双丙烯酸酯PEGDA的水溶液中，避光搅拌至光引发剂完全溶解，得到Clay/PEGDA纺丝液；其中，Clay添加量为PEGDA单体质量3-20％；
(2)将步骤(1)中得到的纺丝液通过计量泵以2-10ml/h挤出速率通过纺丝喷头通入水浴，距离纺丝液出口5-8mm处设置波长200-400nm的紫外光点光源，光路方向与纺丝液挤出方向成60-90°角，光斑距离挤出纺丝液5mm-1cm，从而引发纺丝液中PEGDA发生自由基聚合反应，得到Clay/PEGDA初生水凝胶纤维；
(3)以的滚筒为卷绕装置，调整滚筒线速度，对步骤(2)中得到的初生水凝胶纤维进行牵伸，得到连续微米级Clay/PEGDA水凝胶纤维。
所述步骤(1)中光引发剂为水溶性2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮IRGACURE2959，加入量为PEGDA质量的3-10‰。
所述步骤(1)中无机纳米粘土为锂藻土Laponite。
所述步骤(1)中PEGDA的分子量为Mw＝300-1000。
所述步骤(1)中搅拌的时间为6h。
所述步骤(1)中得到的纺丝液为透明或略带有乳白色液体，无杂质和悬浮颗粒，无紫外光引发的聚合。
所述步骤(2)中纺丝喷头出口直径为0.6mm-1.5mm，长径比为13-33，纺丝喷头浸于水浴液面以下0.5-2cm，纺丝液挤出方向与液面垂直。
所述步骤(3)中滚筒的直径为5-10cm，线速度为200-800m/h。
所述步骤(3)中卷绕装置设在凝固浴液面外。
所述制备方法在室温下进行。
针对现有方法中存在的设备及工艺复杂、纤维尺度可控性不佳、原料分子结构要求高等难题，本发明以低分子量的齐聚物PEGDA为凝胶单体，与Clay在分子水平上通过物理交联复合，并建立基于“溶胶-凝胶”转变时间尺度的动态聚合方法，在凝胶三维网络形成的过程中实现材料的纤维化，PEGDA形成化学交联结构，Clay通过氢键、缠绕等物理相互作用嵌入凝胶三维网络中，可控制备物理/化学双重交联结构的连续水凝胶纤维，通过双交联作用提高水凝胶纤维的力学性能，对水凝胶材料的开发应用和后期加工有着非常重要的意义。
有益效果
(1)本发明制备得到的杂化水凝胶纤维结构稳定，力学性能好，对水凝胶材料的开发应用和后期加工有着非常重要的意义；
(2)本发明的制备方法可以通过调整纺丝液配比、挤出速率和卷绕速率等，可以实现水凝胶纤维直径的可控。
附图说明
图1为实施例1中Clay/PEGDA水凝胶纤维红外光谱图；
图2为实施例1中Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维力学性能曲线；
图3为实施例1中挤出速率与直径相关性统计图；
图4为实施例1中纺丝液浓度与直径相关性统计图；
图5为实施例1中Clay/PEGDA水凝胶纤维的电子显微镜图；
图6为实施例1中Clay/PEGDA水凝胶纤维的电子显微镜截面图。
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
室温下称取8g去离子水，2gPEGDA(Mw＝300)，0.03gIRGACURE2959，2gClay室温下避光磁力搅拌6h至IRGACURE2959完全溶解获得纺丝液。用内径0.6mm、长2cm的毛细管为纺丝喷头，利用推进泵将纺丝液通入去离子水浴，推进速率2ml/h，纺丝喷头浸于水浴液面以下0.5cm。在距离喷丝口8mm处设置90°紫外点光源，波长400mm，光斑距离纺丝液5mm。设置直径6cm的滚筒线速度为406.9m/h，对初生水凝胶纤维进行卷绕收集，获得连续微米级水凝胶纤维。
图1是Clay/PEGDA水凝胶纤维红外光谱。由图可知，1001cm-1为Clay特征峰，在Clay/PEGDA水凝胶纤维中，1001cm-1处吸收增强，而在PEGDA凝胶纤维中，此处没有明显的特征峰，说明动态聚合过程能够将Clay与PEGDA进行良好的复合，制备出了Clay/PEGDA水凝胶纤维。
图2是Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维力学性能曲线。由图可见，与PEGDA水凝胶纤维相比较，Clay/PEGDA水凝胶纤维的力学性能明显提升。断裂强度提高30％，断裂伸长率提高430％，纤维弹性明显增强。这主要是由于Clay与PEGDA形成的物理交联体系中，既存在强烈的氢键和缠绕作用用以稳定了材料的强度，又因为物理交联体系允许分子链在外力的作用下产生滑动和位移，提高了纤维的可拉伸性能。
图3，图4分别是挤出速率、纺丝液浓度与直径相关性统计。纤维直径与供料速度收集速率存在相关性关系d2＝4V/(πv)，d为纤维直径，V为供料速度，v为收集速率。由图可知，在不同注射速率下，d2与挤出速率(图3)和纺丝液浓度(图4)存在较好的线性关系，证明通过调整相关参数，可以有效控制纤维直径。
图5，图6是Clay/PEGDA水凝胶纤维的电子显微镜相片，由图5可见，纤维在微观上具有凝胶的三维网络结构，并且三维网络结构沿纤维方向存在周期分布的趋势；图6显示水凝胶纤维的断面形貌，可见纤维内部形成贯穿孔道结构，说明水凝胶纤维既保持了纤维的宏观形貌。
实施例2
室温下称取6g去离子水，4gPEGDA(Mw＝500)，0.012gIRGACURE2959，室温下避光磁力搅拌6h至IRGACURE2959完全溶解制备纺丝液。以去离子水为凝固浴，内径1.5mm、长2cm毛细管为纺丝喷头，利用推进泵将纺丝液通入凝固浴，推进速率3ml/h，纺丝喷头浸于水浴液面以下1.5cm。在距离喷丝口7mm处设置60°紫外点光源，波长200mm，光斑距离纺丝液1cm。设置直径5cm的滚筒线速度为800m/h，对初生水凝胶纤维进行卷绕收集，获得连续微米级水凝胶纤维。
实施例3
室温下称取8g去离子水，2gPEGDA(Mw＝550)，0.02gIRGACURE2959，室温下避光磁力搅拌6h至IRGACURE2959完全溶解制备纺丝液。以去离子水为凝固浴，内径1.0mm、长2cm毛细管为纺丝喷头，利用推进泵将纺丝液通入凝固浴，推进速率10ml/h，纺丝喷头浸于水浴液面以下2cm。在距离喷丝口5mm处设置90°紫外点光源，波长325mm，光斑距离纺丝液8mm。设置直径8cm的滚筒线速度为508.7m/h，对初生水凝胶纤维进行卷绕收集，获得连续微米级水凝胶纤维。
实施例4
室温下称取2g去离子水，8gPEGDA(Mw＝1000)，0.04gIRGACURE2959，室温下避光磁力搅拌6h至IRGACURE2959完全溶解制备纺丝液。以去离子水为凝固浴，内径0.8mm、长2cm的毛细管为纺丝喷头，利用推进泵将纺丝液通入凝固浴，推进速率2ml/h，纺丝喷头浸于水浴液面以下1cm。在距离喷丝口6mm处设置80°紫外点光源，波长295mm，光斑距离纺丝液5mm。设置直径10cm的滚筒线速度为200m/h，对初生水凝胶纤维进行卷绕收集，获得连续微米级水凝胶纤维。
Claims (7)
1.一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，包括：
(1)将光引发剂和无机纳米粘土Clay加入到质量分数为10％-30％的聚乙二醇双丙烯酸酯PEGDA的水溶液中，避光搅拌至光引发剂完全溶解，得到Clay/PEGDA纺丝液；其中，Clay添加量为PEGDA质量3-20％；
(2)将步骤(1)中得到的纺丝液通过计量泵以2-10ml/h挤出速率通过纺丝喷头通入水浴，距离纺丝液出口5-8mm处设置波长200-400nm的紫外光点光源，光路方向与纺丝液挤出方向成60-90°角，光斑距离挤出纺丝液5mm-1cm，从而引发纺丝液中PEGDA发生自由基聚合反应，得到Clay/PEGDA初生水凝胶纤维；其中，纺丝喷头出口直径为0.6mm-1.5mm，长径比为13-33，纺丝喷头浸于水浴液面以下0.5-2cm，纺丝液挤出方向与液面垂直；
(3)以滚筒为卷绕装置，调整滚筒线速度，对步骤(2)中得到的初生水凝胶纤维进行牵伸，得到连续微米级Clay/PEGDA水凝胶纤维。
2.根据权利要求1所述的一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中光引发剂为水溶性2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮IRGACURE 2959，加入量为PEGDA质量的3-10‰。
3.根据权利要求1所述的一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中无机纳米粘土为锂藻土Laponite。
4.根据权利要求1所述的一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中PEGDA的分子量为Mw＝300-1000。
5.根据权利要求1所述的一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中搅拌的时间为6h。
6.根据权利要求1所述的一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中滚筒的直径为5-10cm，线速度为200-800m/h。
7.根据权利要求1所述的一种连续微米级Clay/PEGDA杂化水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中卷绕装置设在凝固浴液面外。
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