CN108559021A - 一种聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶及其制备方法 - Google Patents
一种聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶及其制备方法，所述纳米复合水凝胶由单体、增强填料、引发剂和金属离子溶液制得；所述单体为丙烯酰胺和丙烯酸；所述增强填料为氧化石墨烯和碳纳米管复合材料；所述引发剂为过硫酸铵与亚硫酸氢钠组成的氧化还原体系，过硫酸铵，过硫酸钾或过硫酸钠中的一种；所述金属离子溶液为三价铁盐溶液。本发明纳米复合水凝胶具有较好的热稳定性、良好的生物相容性以及优异的力学性能，其拉伸强度可高达7.53MPa，对应的拉伸断裂伸长率为414％。本发明纳米复合水凝胶材料在生物医学领域有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于功能性高分子纳米复合凝胶材料技术领域，具体涉及一种聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶及其制备方法。
背景技术
氧化石墨烯(GO)是一种非导电的亲水性二维碳材料，具有较大的比表面积、稳定的化学性质、较强的力学性能。其基面和边缘含有大量的含氧官能团，如羟基、羧基、环氧基等，可以通过表面吸附、氢键和其他类型的相互作用接枝到其他材料上。碳纳米管(CNT)具有高刚度、高强度、高纵横比、导电性等特性，使其在电学、热学、磁学和吸附等方面有着很好的应用。将CNT添加到一定的基体材料中，不仅可以增强基体的机械性能，还能改善基体的电学、热学和光学等特性。
由于二维石墨烯和一维碳纳米管通常倾向于聚集和堆积，这大大限制了其更好的实际应用。而由石墨烯和CNT组成的三维互联网络碳纳米材料因具有超高的表面体积比，可以有效地减少聚集，并且通过结合每种类型的填料的优点而改善其综合性能。三维碳纳米材料在实际应用中具有显著的优势，例如透明导电薄膜、锂离子电池阳极、超级电容器以及生物医药。
水凝胶是一种由化学交联或物理交联形成的亲水性的三维网络结构高分子功能材料，由于其具有良好的吸水保水性、生物降解性、易加工成型，以及其构造与人体的一些组织和器官十分相似因而应用甚广，如组织工程、药物输送载体、传感器和致动器、酶的固定化、人造器官、药物和基因输送，伤口敷料等。但由于水凝胶的力学性能较差，并且可能导致水凝胶过早的溶解或从目标局部位置消失，因而在很大程度上限制了水凝胶在工业和生物医学方面的应用。为了提高水凝胶的力学性能，国内外专家学者们通过多种组分复合，试图制备抗压性能好、力学强度高的复合水凝胶材料，如双网络水凝胶、纳米复合水凝胶、滑环水凝胶、四臂聚(乙二醇)水凝胶、微凝胶增强水凝胶、大分子微球复合材料水凝胶、聚阴离子水凝胶等。而氧化石墨烯和碳纳米管纳米复合材料由于其出色的力学性能和热稳定性而备受关注，目前，氧化石墨烯和碳纳米管复合材料被认为是一种可有效改善水凝胶力学性能的纳米填料，具有很广泛的应用前景。
尽管高强度水凝胶的制备已经取得了一些重要成果，但是已报道的高强度水凝胶往往存在很多不足，例如单体的制备工艺复杂、反应所需时间较长、改性后的水凝胶力学强度提高不明显等，这些都大大限制了水凝胶的实际应用。因此，制备一种简单、快捷、力学强度提升明显又不改变其良好生物相容的水凝胶仍是一项巨大的挑战。
发明内容
解决的技术问题：本发明克服上述现有技术中存在的不足，公开了一种聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶及其制备方法；所述纳米复合水凝胶材料制备成本较低、工艺流程简单、具有优异的力学性能、良好的生物相容性以及较好的热稳定性。
技术方案：一种聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶，所述纳米复合水凝胶由单体、增强填料、交联剂、引发剂和金属离子溶液制得；
所述单体为丙烯酰胺和丙烯酸；所述增强填料为氧化石墨烯和碳纳米管复合材料；所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为过硫酸铵与亚硫酸氢钠组成的氧化还原体系，过硫酸铵，过硫酸钾，过硫酸钠中的一种；所述金属离子溶液为三价铁离子溶液；
所述单体丙烯酰胺为10～20份；所述单体丙烯酸为1～3份；所述增强填料为0.012～0.05份；所述交联剂为0～0.02份；所述引发剂为0.03～0.18份。
上述聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述增强填料加入50～60份蒸馏水中，超声分散30～120min，得到分散液；
(2)向所述步骤(1)得到的分散液中加入所述单体丙烯酰胺和丙烯酸，搅拌15～30min；
(3)向所述步骤(2)得到的溶液中加入所述交联剂，搅拌15～30min；
(4)向所述步骤(3)得到的溶液中加入所述引发剂，搅拌15～30min；
(5)将所述步骤(4)得到的溶液在35～40℃下水浴搅拌15～30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中，设定温度为40～50℃，反应时间为4～6h；得到纳米复合水凝胶；
(6)将所述纳米复合水凝胶在金属离子溶液中浸泡12～18h，再于蒸馏水中继续浸泡2～3天；所述金属离子溶液为三价铁盐溶液。
优选的，所述步骤(6)中金属离子溶液的浓度为0.06～0.18mol/L。
优选的，所述步骤(5)中烘箱设定温度为45℃，反应时间为5h。
优选的，所述步骤(6)的金属离子溶液为六水合三氯化铁。
有益效果：①本发明中加入了氧化石墨烯和碳纳米管复合材料作为增强填料，其具有较大的比表面积、稳定的化学性质、优异的生物相容性、较强的力学性能；且其基面和边缘含有大量的含氧官能团，可以通过表面吸附、氢键和其他类型的相互作用高效的接枝到水凝胶上。②本发明制备了一种具有优异力学性能和良好生物相容性的纳米复合水凝胶，其工艺流程简单、环保、成本较低、反应条件温和，力学强度超高，生物相容性优异；其拉伸强度可高达7.53MPa，对应的拉伸断裂伸长率为414％。③本发明通过化学反应、氢键、金属离子螯合的共同作用，制备得到的三维网络纳米复合水凝胶具有超高的强度、韧性和弹性模量，该水凝胶结构均一、力学性能优异、生物相容性良好。④本发明纳米复合水凝胶在生物医学领域，如组织工程、生物成像、药物和基因输送载体、癌症治疗、伤口敷料等方面有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例11中制备的聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶的应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
将0.012份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.1份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为3.36MPa、拉伸断裂伸长率为539％。
实施例2
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.1份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为4.23MPa、拉伸断裂伸长率为440％。
实施例3
将0.05份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.1份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为4.40MPa、拉伸断裂伸长率为332％。
实施例4
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入20份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.1份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为2.83MPa、拉伸断裂伸长率为623％。
实施例5
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.0份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.1份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为3.73MPa、拉伸断裂伸长率为678％。
实施例6
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和3.0份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.1份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为1.18MPa、拉伸断裂伸长率为646％。
实施例7
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.1份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为3.13MPa、拉伸断裂伸长率为478％。
实施例8
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.02份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.1份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为2.18MPa、拉伸断裂伸长率为203％。
实施例9
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.03份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为3.05MPa、拉伸断裂伸长率为392％。
实施例10
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.18份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.06mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为3.81MPa、拉伸断裂伸长率为262％。
实施例11
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.03份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.12mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为7.53MPa、拉伸断裂伸长率为414％。
实施例12
将0.025份氧化石墨烯和碳纳米管复合材料加入50份蒸馏水中，超声分散60min；加入10份丙烯酰胺和1.5份丙烯酸，搅拌30min；加入0.005份N，N-亚甲基双丙烯酰胺于上述溶液中，搅拌30min；加入0.1份过硫酸铵于上述溶液中，继续搅拌20min；将上述溶液在40℃下水浴继续搅拌30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中在45℃下反应5h；将上述制备的水凝胶在0.18mol/L的六水合三氯化铁溶液中浸泡12h，再于蒸馏水中继续浸泡2天。
本实施例制备的纳米复合水凝胶，拉伸强度为5.67MPa、拉伸断裂伸长率为250％。
Claims (5)
1.一种聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶，其特征在于，所述纳米复合水凝胶由单体、增强填料、交联剂、引发剂和金属离子溶液制得；
所述单体为丙烯酰胺和丙烯酸；所述增强填料为氧化石墨烯和碳纳米管复合材料；所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为过硫酸铵与亚硫酸氢钠组成的氧化还原体系，过硫酸铵，过硫酸钾或过硫酸钠中的一种；所述金属离子溶液为三价铁盐溶液；
所述单体丙烯酰胺为10～20份；所述单体丙烯酸为1～3份；所述增强填料为0.012～0.05份；所述交联剂为0～0.02份；所述引发剂为0.03～0.18份。
2.权利要求1所述聚丙烯酰胺/聚丙烯酸纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将所述增强填料加入50～60份蒸馏水中，超声分散30～120min，得到分散液；
(2)向所述步骤(1)得到的分散液中加入所述单体丙烯酰胺和丙烯酸，搅拌15～30min；
(3)向所述步骤(2)得到的溶液中加入所述交联剂，搅拌15～30min；
(4)向所述步骤(3)得到的溶液中加入所述引发剂，搅拌15～30min；
(5)将所述步骤(4)得到的溶液在35～40℃下水浴搅拌15～30min，倒入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中，设定温度为40～50℃，反应时间为4～6h；得到纳米复合水凝胶；
(6)将所述纳米复合水凝胶在所述金属离子溶液中浸泡12～18h，再于蒸馏水中继续浸泡2～3天。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中金属离子溶液的浓度为0.06～0.18mol/L。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中烘箱设定温度为45℃，反应时间为5h。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)的金属离子溶液为六水合三氯化铁。
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