CN108485158A - 一种h-BN和PAAm双网络水凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种h‑BN和PAAm双网络水凝胶及其制备方法，属于水凝胶技术领域，其中制备方法包括：将h‑BN和聚乙烯醇溶解于水中，通过低温冷冻后，在冷冻干燥机中冻干，形成h‑BN气凝胶；将h‑BN气凝胶浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h‑BN凝胶，然后浸泡在催化剂中形成h‑BN和PAAm双网络水凝胶。本发明通过先制备h‑BN气凝胶，再与PAAm水凝胶复合，这样得到的h‑BN和PAAm双网络水凝胶中h‑BN本身形成了网络，所以可以在很大程度上增加水凝胶的热导率以及机械性能。

Description

一种h-BN和PAAm双网络水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于水凝胶技术领域，更具体地，涉及一种h-BN和PAAm双网络水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶是一种具有三维网络结构的交联聚合物，能够在水中溶胀达到平衡，含有大量的水份并且不会在水中溶解。与人体组织的结构相似。而人工合成的水凝胶在应用中具有的缺点是强度比较低，不能满足实际需要。自2003年龚建平组制备出双网络水凝胶以来，这种高强度的双网络水凝胶越来越受关注，许多高强度水凝胶的科研成果层出不穷。
近年来，水凝胶的应用越来越广泛，科研人员尝试把水凝胶作为电子元器件的衬底或封装来使用，以制备可拉伸柔性电子器件。因为电子器件在工作时会由于焦耳效应大量发热影响器件的工作性能。为了使电子器件正常持续使用，水凝胶热导率的提高必不可少。最近科研人员把重点集中在通过掺杂高热导纳米材料制备高热导的水凝胶。目前公布的水凝胶存在如下缺点：第一，制备方法复杂，以Feng Xiao课题组为例，为了减小h-BN与PNIPAM水凝胶的热阻值，首先需要将h-BN与水蒸汽在管式炉中通氩气于850℃发生反应使h-BN边缘带上羟基。反应条件苛刻。第二，水凝胶热导能提高不少，但强度非常低，比如Hongbo Jiang制备的双网络水凝胶。
由此可见，开发出高热导率、高强度的水凝胶是十分必要的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种h-BN和PAAm双网络水凝胶及其制备方法，由此解决现有的水凝胶存在无法同时具有高热导率和高强度的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，包括：
(1)将h-BN和聚乙烯醇混合后溶解于水中，通过低温冷冻后，在冷冻干燥机中冻干，形成h-BN气凝胶；
(2)将h-BN气凝胶浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶，然后浸泡在催化剂中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。
本发明中h-BN能够溶解在PVA溶液中是因为空化作用，使h-BN能够形成稳定溶液，然后通过真空冷冻形成气凝胶。由于六方氮化硼(h-BN)具有很高的热导率(100W/mK to1000W/mK)，很强的机械性能(约750GPa)，作为复合材料直接加入水凝胶也会提高水凝胶的热导率，但由于h-BN不溶于水，在有机物溶液中也只能低浓度的存在，所以复合水凝胶的h-BN含量有限，并且由于h-BN和水凝胶之间有很高的热阻值，因而得到的复合水凝胶热导率提高较少。本发明通过先制备h-BN气凝胶，再与PAAm水凝胶复合，这样得到的h-BN和PAAm双网络水凝胶中h-BN本身形成了网络，所以可以在很大程度上增加水凝胶的热导率以及机械性能。
进一步地，h-BN为h-BN纳米片，所述h-BN纳米片的厚度为40nm-50nm，所述h-BN纳米片的片径尺寸为2μm-20μm。由于氮化硼纳米片是二维尺寸材料，其低维结构使其具有特殊的声子模式，从而表现出更优异的热导性能。本领域常规技术手段选取氮化硼粉末进行制备，然而本发明选取的氮化硼纳米片的热导率比常规使用的氮化硼粉末高。
进一步地，低温冷冻的温度为-80℃至-120℃，低温冷冻的时间为20h-24h。本发明在冷冻干燥机中冻干之前通过低温冷冻，确保h-BN气凝胶内部结构固定，再冻干是将里面的水分升华出来，直接冻干的话内部结构没固定，会导致形状坍塌。
进一步地，冻干时气压保持在1Pa以下，冻干的温度为-60℃至-70℃。
进一步地，h-BN与聚乙烯醇的质量比为1∶1-5∶1。
进一步地，步骤(2)包括：
在丙烯酰胺溶液中加入引发剂和交联剂，然后使h-BN气凝胶充分浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶，再将含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶浸泡在催化剂中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。这样处理，使得最后得到的h-BN和PAAm双网络水凝胶机械性能好。
进一步地，引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾。
进一步地，交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺或者戊二醛。
进一步地，催化剂为N，N，N′，N′-四甲基乙二胺。
按照本发明的另一方面，提供了一种h-BN和PAAm双网络水凝胶，其特征在于，所述h-BN和PAAm双网络水凝胶由上述制备方法制备得到。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明中h-BN能够溶解在PVA溶液中是因为空化作用，使h-BN能够形成稳定溶液，然后通过真空冷冻形成气凝胶。由于六方氮化硼(h-BN)具有很高的热导率(100W/mK to1000W/mK)，很强的机械性能(约750GPa)，作为复合材料直接加入水凝胶也会提高水凝胶的热导率，但由于h-BN不溶于水，在有机物溶液中也只能低浓度的存在，所以复合水凝胶的h-BN含量有限，并且由于h-BN和水凝胶之间有很高的热阻值，因而得到的复合水凝胶热导率提高较少。本发明通过先制备h-BN气凝胶，再与PAAm水凝胶复合，这样得到的h-BN和PAAm双网络水凝胶中h-BN本身形成了网络，所以可以在很大程度上增加水凝胶的热导率以及机械性能。
(2)本发明使用氮化硼纳米片从而提高热导性能，是由于氮化硼纳米片是二维尺寸材料，其低维结构使其具有特殊的声子模式，从而表现出更优异的热导性能。本领域常规技术手段选取氮化硼粉末进行制备，然而本发明选取的氮化硼纳米片的热导率比常规使用的氮化硼粉末高。
(3)本发明在冷冻干燥机中冻干之前通过低温冷冻，确保h-BN气凝胶内部结构固定，再冻干是将里面的水分升华出来，直接冻干的话内部结构没固定，会导致形状坍塌。
(4)本发明在丙烯酰胺溶液中加入了引发剂、交联剂但未加入催化剂，然后使h-BN气凝胶充分浸泡在丙烯酰胺溶液中，再将含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶浸泡在催化剂中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。这样处理，使得最后得到的h-BN和PAAm双网络水凝胶机械性能好。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法的流程图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，包括：
(1)将h-BN纳米片和聚乙烯醇按照质量比为1∶1-5∶1混合后溶解于水中，h-BN纳米片的厚度为40nm-50nm，所述h-BN纳米片的片径尺寸为2μm-20μm，通过在-80℃至-120℃低温冷冻20h-24h后，在冷冻干燥机中冻干，冻干时气压保持在1Pa以下，冻干的温度为-60℃至-70℃，形成h-BN气凝胶；
(2)在丙烯酰胺溶液中加入引发剂和交联剂，然后使h-BN气凝胶充分浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶，再将含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶浸泡在催化剂中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾。交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺或者戊二醛。催化剂为N，N，N′，N′-四甲基乙二胺。
实施例1
一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，包括：
(1)将h-BN纳米片和聚乙烯醇按照质量比为5∶1混合后溶解于水中，h-BN纳米片的厚度为50nm，所述h-BN纳米片的片径尺寸为20μm，通过在-120℃低温冷冻20h后，在冷冻干燥机中冻干，冻干时气压保持在1Pa以下，冻干的温度为-70℃，形成h-BN气凝胶；
(2)在丙烯酰胺溶液中加入过硫酸钾和戊二醛，然后使h-BN气凝胶充分浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶，再将含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶浸泡在N，N，N′，N′-四甲基乙二胺中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。
实施例2
一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，包括：
(1)将h-BN纳米片和聚乙烯醇按照质量比为1∶1混合后溶解于水中，h-BN纳米片的厚度为40nm，所述h-BN纳米片的片径尺寸为2μm，通过在-80℃低温冷冻24h后，在冷冻干燥机中冻干，冻干时气压保持在1Pa以下，冻干的温度为-60℃，形成h-BN气凝胶；
(2)在丙烯酰胺溶液中加入过硫酸铵和N，N-亚甲基双丙烯酰胺，然后使h-BN气凝胶充分浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶，再将含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶浸泡在N，N，N′，N′-四甲基乙二胺中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。
实施例3
一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，包括：
(1)将h-BN纳米片和聚乙烯醇按照质量比为3∶1混合后溶解于水中，h-BN纳米片的厚度为45nm，所述h-BN纳米片的片径尺寸为10μm，通过在-100℃低温冷冻22h后，在冷冻干燥机中冻干，冻干时气压保持在1Pa以下，冻干的温度为-65℃，形成h-BN气凝胶；
(2)在丙烯酰胺溶液中加入过硫酸铵和N，N-亚甲基双丙烯酰胺，然后使h-BN气凝胶充分浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶，再将含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶浸泡在N，N，N′，N′-四甲基乙二胺中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将h-BN和聚乙烯醇混合后溶解于水中，通过低温冷冻后，在冷冻干燥机中冻干，形成h-BN气凝胶；
(2)将h-BN气凝胶浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶，然后浸泡在催化剂中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。
2.如权利要求1所述的一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述h-BN为h-BN纳米片，所述h-BN纳米片的厚度为40nm-50nm，所述h-BN纳米片的片径尺寸为2μm-20μm。
3.如权利要求1或2所述的一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述低温冷冻的温度为-80℃至-120℃，低温冷冻的时间为20h-24h。
4.如权利要求1或2所述的一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述冻干时气压保持在1Pa以下，冻干的温度为-60℃至-70℃。
5.如权利要求1或2所述的一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述h-BN与聚乙烯醇的质量比为1∶1-5∶1。
6.如权利要求1或2所述的一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
在丙烯酰胺溶液中加入引发剂和交联剂，然后使h-BN气凝胶充分浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶，再将含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶浸泡在催化剂中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。
7.如权利要求6所述的一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾。
8.如权利要求6所述的一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺或者戊二醛。
9.如权利要求6所述的一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述催化剂为N，N，N′，N′-四甲基乙二胺。
10.一种h-BN和PAAm双网络水凝胶，其特征在于，所述h-BN和PAAm双网络水凝胶由权利要求1-9任一所述的制备方法制备得到。
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