CN106861565A - 一种具有荧光性能的高强度水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳纳米复合材料制备技术领域，涉及一种具有荧光性能的高强度水凝胶的制备方法。具体步骤为：首先分别引入一种含碳和含氮化合物，经水热反应后得到石墨烯量子点，再将该量子点溶液与水溶性聚合物单体混合，加入引发剂与交联剂混合均匀后，转移至模具中，在较低温度条件下(0～30℃)反应一段时间(30s～24h)后制备得到水凝胶。本发明水凝胶的制备方法与传统方法相比反应条件温和，工艺简单，无需高温除氧条件下反应较短时间后即得水凝胶。所制得的水凝胶具有优良的机械性能和荧光性能。

Description

一种具有荧光性能的高强度水凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于碳纳米复合材料制备技术领域，涉及一种具有荧光性能的高强度水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶是以水或者生物体液为介质,在溶胀时能够保持一定的水分,而不被溶解的一类交联高分子材料，一般具有网状交联结构,可用于可控药物释放,并且在生物粘附、生物相容、生物降解等研究领域有广阔的应用前景。
目前，水凝胶的制备方法有很多，常规方法是将单体溶液体系中加入适量的引发剂和交联剂，进一步通过除氧，通入惰性气体等步骤，在较高温度条件下(50～60℃)，经过较长反应时间(15～36h)后才能形成性能较好的水凝胶。
发明内容
本发明利用水热合成的石墨烯量子点溶液助引发凝胶体系，使其在低温下可较快凝胶化，形成性能良好的水凝胶。与传统方法相比，本发明水凝胶的制备方法反应条件温和，工艺简单，无需高温除氧条件下反应较短时间后即得水凝胶，所制得的水凝胶具有优良的机械性能和荧光性能。
本发明的目的是为了实现在低温下能够快速合成具有荧光性能良好的水凝胶。本发明提供了一种简单的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)分别引入一种含碳和含氮化合物溶液混合超声至分散均匀状态。经过高温水热处理，制得荧光性能优良的石墨烯量子点溶液(GQDS)。
2)配制一定浓度的聚合物单体溶液(1～8mol/L)，均匀混入一定量的上述GQDS溶液，超声10～30s至均匀状态，再将一定量的引发剂与交联剂加入单体溶液体系中，超声混合均匀后将溶液转移至不同的模具中。
3)将混合溶液体系在较低温度条件下(0～30℃)反应一段时间(30s～24h)后制备得到水凝胶。
优选地，步骤1)中所述的含碳化合物为乙二醇、柠檬酸、柠檬酸钠、葡萄糖、壳聚糖、氧化石墨烯中的任意一种；
优选地，步骤1)中所述的含氮化合物为乙二胺、对苯二胺、尿素、四甲基乙二胺、三聚氰胺中的任意一种；
优选地，步骤1)中所述的含碳化合物与含氮化合物反应的摩尔浓度比为50：1～1：100；
优选地，步骤1)步骤1)中所述的高温水热处理的温度为90～300℃，反应时间为0.5～12h；
优选地，步骤2)中所述的聚合物单体为丙烯酸、丙烯酰胺、氮异丙基丙烯酰胺中的任意一种；
优选地，步骤2)中所述的所加的石墨烯量子点的体积为2μL～5mL，进一步优选为50μL～2mL；
优选地，步骤2)中所述的引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)、过硫酸胺(APS)、过硫酸钾(KPS)中的任意一种；
优选地，步骤2)中所述的交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)；
优选地，步骤2)中所述的引发剂与交联剂的单体百分含量分别为0.1wt％～1wt％和0.03wt％～0.5wt％；
本发明基于自由基水溶液聚合方法，加入引发剂交联剂后，利用石墨烯量子点促进其在低温下较快凝胶化，本发明水凝胶的制备方法与传统方法相比反应条件温和，工艺简单，无需高温除氧条件下反应较短时间后即得水凝胶。所制得的水凝胶具有优良的机械性能和荧光性能。
附图说明
图1是本发明量子点水溶液在不同波长光激发下的荧光光谱图。
图2是不同浓度GQDS制备的聚丙烯酰胺水凝胶压缩曲线。
图3是不同条件下制备的聚丙烯酸(a)和聚氮异丙基丙烯酰胺(b)水凝胶拉伸曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种具有荧光性能的高强度水凝胶的制备方法，包括：利用水热合成的石墨烯量子点溶液助引发凝胶体系，使其在低温下可较快凝胶化，形成性能良好的水凝胶，本发明水凝胶的制备方法与传统方法相比反应条件温和，工艺简单，无需高温除氧条件下反应较短时间后即得水凝胶。所制得的水凝胶具有优良的机械性能和荧光性能。下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
将1g的尿素与由10mL的乙二醇溶液混合超声至分散均匀状态。经过210℃，5h的高温水热处理，得到上层发蓝色荧光的石墨烯量子点溶液(GQDS)(图1)。配制一定单体浓度为4mol/L，即单体质量为2.84g的丙烯酰胺溶液，加入20μL的第一步制得的GQDS溶液,超声10-20s至均匀状态，0.5wt％引发剂KPS与0.1wt％交联剂MBA随后加入凝胶单体体系。超声15s后将均匀的混合溶液转移至不同的模具中。将凝胶体系放置在30℃温度状态中，经过5h后，形成荧光性能良好的淡蓝色聚丙烯酰胺水凝胶，经测试，该凝胶样品压缩95％强度为23MPa(图2)。
对比例1
为比较石墨烯量子点溶液(GQDS)对凝胶体系影响，此对比例未添加GQDS，配制一定单体浓度为4mol/L，即单体质量为2.84g的丙烯酰胺溶液，超声10-20s至均匀状态，0.5wt％引发剂KPS与0.1wt％交联剂MBA随后加入凝胶单体体系。超声15s后将均匀的混合溶液转移至不同的模具中。将凝胶体系放置在30℃温度状态中，经过5h后，反应体系仍为流体状态，未生成聚丙烯酰胺水凝胶。
实施例2
将0.5g的尿素与由1.053g的柠檬酸在10mL高纯水混合超声至分散均匀状态。经过180℃，4h的高温水热处理，得到上层发蓝紫荧光的石墨烯量子点溶液(GQDS)(图1)。配制一定单体浓度为3mol/L的丙烯酸溶液，加入100μL的第一步制得的GQDS溶液，超声10-20s至均匀状态，0.5wt％引发剂KPS与0.1wt％交联剂MBA随后加入凝胶单体体系。超声15s后将均匀的混合溶液转移至不同的模具中。将凝胶体系放置在20℃温度状态中，经过20h后，形成荧光性能良好的淡蓝色聚丙烯酸凝胶，经测试，该凝胶样品最高断裂强度为0.42MPa，断裂伸长率为3000％(图3a)。
实施例3
将500μL的乙二胺与由10mL的乙二醇溶液混合超声至分散均匀状态。经过180℃，4h高温水热处理，得到上层为蓝紫荧光的石墨烯量子点溶液(GQDS)。配制一定单体浓度为4mol/L的氮异丙基丙烯酰胺溶液，加入100μL的第一步制得的GQDS溶液,超声10-20s至均匀状态，0.5wt％引发剂APS与0.1wt％交联剂MBA随后加入凝胶单体体系。超声15s后将均匀的混合溶液转移至不同的模具中。将凝胶体系放置在25℃温度状态中，经过3h后，形成荧光性能良好的蓝紫色聚氮异丙基丙烯酰胺凝胶，经测试，该凝胶样品最高断裂强度为0.23MPa，断裂伸长率为1800％(图3b)。
实施例4
将1mL的乙二胺与1.053g的柠檬酸在9mL高纯水溶液混合超声至分散均匀状态。经过150℃，2h的高温水热处理，得到上层发淡紫色荧光的石墨烯量子点溶液(GQDS)。配制一定单体浓度为4mol/L，即单体质量为2.84g的丙烯酰胺溶液，加入400μL的第一步制得的GQDS溶液,超声10-20s至均匀状态，0.5wt％引发剂KPS与0.1wt％交联剂MBA随后加入凝胶单体体系。超声15s后将均匀的混合溶液转移至不同的模具中。将凝胶体系放置在35℃温度状态中，经过10h后，形成力学性能良好的淡紫色聚丙烯酰胺凝胶。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，做出的某些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有荧光性能的高强度水凝胶的制备方法，其特征在于：利用水热合成的石墨烯量子点溶液助引发凝胶体系，使其在低温下可较快凝胶化，形成性能良好的水凝胶。具体实验步骤按照以下实验流程进行：
1)分别引入一种含碳和含氮化合物溶液混合超声至分散均匀状态。经过高温水热处理，制得荧光性能优良的石墨烯量子点溶液(GQDS)。
2)配制一定浓度的聚合物单体溶液(1～8mol/L)，均匀混入一定量的上述GQDS溶液，超声10～30s至均匀状态，再将一定量的引发剂与交联剂加入单体溶液体系中，超声混合均匀后将溶液转移至不同的模具中。
3)将混合溶液体系在较低温度条件下(0～30℃)反应一段时间(30s～24h)后制备得到水凝胶。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的含碳化合物为乙二醇、柠檬酸、柠檬酸钠、葡萄糖、壳聚糖、氧化石墨烯中的任意一种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的含氮化合物为乙二胺、对苯二胺、尿素、四甲基乙二胺、三聚氰胺中的任意一种。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的含碳化合物与含氮化合物反应的摩尔浓度比为50：1～1：100。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的高温水热处理的温度为90～300℃，反应时间为0.5～12h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的聚合物单体为丙烯酸、丙烯酰胺、氮异丙基丙烯酰胺中的任意一种。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的所加的石墨烯量子点的体积为2μL～5mL，进一步优选为50μL～2mL。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)、过硫酸胺(APS)、过硫酸钾(KPS) 中的任意一种。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的引发剂与交联剂的单体百分含量分别为0.1wt％～1wt％和0.03wt％～0.5wt％。
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