CN107200811A - 一种可压缩可拉伸自修复水凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能材料技术领域，具体为一种可压缩可拉伸自修复水凝胶及其制备方法。本发明通过简单的自由基聚合反应，无需添加交联剂，即可得到多重物理交联水凝胶。该水凝胶力学性能优异，具有压缩回弹性和可拉伸性，同时具有完全自主的自修复能力。本发明步骤简单易操作，便于实现大规模生产制备，所制得的水凝胶柔软有弹性，可拉伸，可以自主自修复，有望用于智能材料，仿生皮肤材料，以及基于水凝胶的电子器件领域。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种可压缩可拉伸自修复水凝胶及其制备方法。
背景技术
近年来，人们对于传统材料的力学性能有了更高需求，例如从传统的笨重、刚性材料制备的机器人，到近几年新提出的软物质机器人概念；从刚性触摸屏，到可卷曲弯折的触摸屏；从传统无机半导体材料制备的传感器，到新兴的柔性可拉伸传感器等。这些发展现状都说明未来人们需要新型柔性材料满足更为智能舒适的生活，特别是开发新型生物相容性好的柔性可拉伸材料，取代传统刚性材料，以及进一步开发可自修复、可循环利用材料等，一方面可以降低产品成本，另一方面也可以提高材料和产品的利用率。
水凝胶作为一种高含水量材料，非常接近人体皮肤结构和组成，尽管已经有大量研究报道多种水凝胶材料，但是其目前仍具有很大研究和发展潜力，特别是近年有报道，水凝胶可以作为柔性可拉伸基体，取代普通弹性体，并结合电路设计，可以发展新型柔性电子器件（《先进材料》 Adv. Mater. 2016, 28, 4497-4505）。因此，改善和提高水凝胶本身的力学性能，对于未来相关智能器件的发展也至关重要。迄今关于水凝胶材料的研究，主要是发展高韧性、高度可拉伸以及自修复水凝胶。一般来说，高韧性可拉伸性能可通过改善共价交联网络进行，而自修复的水凝胶往往基于可逆交联网络，所以当自修复效果好时，往往伴随压缩回弹性以及可拉伸性等力学性能的下降，因此需要较为复杂的分子设计来进行调控，例如采用多重交联网络结构，既提供一定强度和可拉伸性，又可以具有一定的自修复效果，但是这往往需要较复杂的分子设计和多步合成步骤进行，不利于工业化生产以及大规模推广应用。
本发明巧妙地利用两种单体的离子键和氢键作用，实现多重物理交联网络，所制备的水凝胶具有可压缩可拉伸性和自修复效果，制备过程中其中不涉及任何有机溶剂，仅需一步反应，不涉及复杂合成步骤，制备过程简便绿色环保无污染，制备条件相对宽松，适合大批量、规模化生产以及具备广泛的商业应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可压缩可拉伸自修复水凝胶及其制备方法。
本发明提出的可压缩可拉伸自修复水凝胶的制备方法，是通过绿色的水相自由基聚合，一步反应直接制备得到具有良好力学性能和自修复效果的水凝胶材料。具体步骤为：
（1）将1-100 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体以及1-100 g 的丙烯酸单体分散在10-1000 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；
（2）加入单体含量0.1-10% 的引发剂；该引发剂是任何常见热引发剂或光引发剂；
（3）步骤（2）所得的水溶液，在30-90 ℃下加热反应1-48 小时；或通过紫外光照反应0.5-48 小时，即可制备具有可压缩可拉伸性的自修复水凝胶。
本发明中，所述的单体水溶液至少包含3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐以及丙烯酸单体，也可以进一步添加其他常见单体，如丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸等，其他常见单体的加入量为1-100 g。
本发明中，所述的引发剂可以是任何常见热引发剂或光引发剂，如过硫酸铵，过硫酸钾，2-羟基-(2-硫杂蒽酮氧基)-丙基磺酸钠等。
本发明制备得到的水凝胶，具有可压缩、可拉伸性和完全自主自修复效果。
本发明操作过程方便，生产周期短，制备条件简单，生产成本较低，易于批量化生产；该水凝胶的制备方法简单、力学性能优异并且兼具自修复效果，具有广阔的工业应用前景。例如，有望用于智能材料，仿生皮肤材料，以及基于水凝胶的电子器件领域。
附图说明
图 1为水凝胶具有压缩回弹性和可拉伸性的照片说明。
具体实施方式
以下通过实施例进一步详细说明本发明通过水相自由基聚合制备一种可压缩可拉伸自修复水凝胶。然而，该实施例仅仅是作为提供说明而不是限定本发明。
实施例 1
将20 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体以及20 g 的丙烯酸单体分散在50 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；加入0.08 g的过硫酸铵引发剂；混合水溶液进行70 ℃加热反应3 小时，即可制备具有可压缩可拉伸的自修复水凝胶。其拉伸性参见图1所示，弹性模量的回复率见表1所示。
从图1中可以看到，制备的水凝胶压缩后可回复并且具有较好的拉伸性。
从表1中可以看出，水凝胶在断裂后，不施加任何外界刺激情况下，弹性模量即可回复，自修复效率可定义为弹性模量的回复率，即78.8%。
实施例 2
将1 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体以及1 g 的丙烯酸单体分散在10 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；加入0.002 g的过硫酸钾引发剂；混合水溶液进行40 ℃加热反应48 小时，即可制备具有可压缩可拉伸的自修复水凝胶。
实施例 3
将50 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体以及50 g 的丙烯酸单体分散在200 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；加入10 g的2-羟基-(2-硫杂蒽酮氧基)-丙基磺酸钠引发剂；混合水溶液进行30 ℃紫外光照反应12 小时，即可制备具有可压缩可拉伸的自修复水凝胶。
实施例 4
将20 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体以及20 g 的丙烯酸单体分散在100 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；加入2 g的过硫酸铵引发剂；混合水溶液进行90 ℃加热反应1 小时，即可制备具有可压缩可拉伸的自修复水凝胶。
实施例 5
将100 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体以及100 g 的丙烯酸单体分散在1000 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；加入6 g的过硫酸铵引发剂；混合水溶液进行70 ℃加热反应6 小时，即可制备具有可压缩可拉伸的自修复水凝胶。
实施例 6
将5 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体以及5 g 的丙烯酸单体分散在20 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；加入1 g的2-羟基-(2-硫杂蒽酮氧基)-丙基磺酸钠引发剂；混合水溶液进行紫外光照反应0.5 小时，即可制备具有可压缩可拉伸的自修复水凝胶。
实施例 7
将20 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体、20 g 的丙烯酸单体以及1g的丙烯酰胺分散在在100 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；加入1 g的过硫酸铵引发剂；混合水溶液进行60 ℃加热反应10 小时，即可制备具有可压缩可拉伸的自修复水凝胶。
实施例 8
将5 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体、5 g 的丙烯酸单体以及10g的异丙基丙烯酰胺分散在在20 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；加入0.1 g的2-羟基-(2-硫杂蒽酮氧基)-丙基磺酸钠引发剂；混合水溶液进行紫外光照反应3 小时，即可制备具有可压缩可拉伸的自修复水凝胶。
实施例 9
将100 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体、100 g 的丙烯酸单体以及100 g的甲基丙烯酸单体分散在在200 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；加入1 g的过硫酸铵引发剂；混合水溶液进行50℃加热反应24 小时，即可制备具有可压缩可拉伸的自修复水凝胶。
实施例 2--实施例 9制备的水凝胶压缩后可回复并且具有较好的拉伸性。具有与图1和表1所示的类似性能。
表1. 水凝胶初始弹性模量、断裂后恢复的弹性模量以及自修复效率
。
Claims (4)
1.一种可压缩可拉伸自修复水凝胶的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）将1-100 g的3-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐单体以及1-100 g 的丙烯酸单体分散在10-1000 mL水中，搅拌均匀，制备单体水溶液；
（2）加入单体含量0.1-10%的引发剂，该引发剂为热引发剂或光引发剂；
（3）由步骤（2）所得的水溶液，在30-90℃下加热反应1-48 小时；或通过紫外光照反应0.5-48 小时，即制备具有可压缩可拉伸性的自修复水凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的单体水溶液中还添加有其他单体。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的引发剂为：过硫酸铵，过硫酸钾，或2-羟基-(2-硫杂蒽酮氧基)-丙基磺酸钠。
4.由权利要求1-3之一所述的制备方法得到的水凝胶，具有可压缩性、可拉伸性和完全自主自修复效果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170926 |