CN110016147B - 一种可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法 - Google Patents

一种可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110016147B
CN110016147B CN201910181924.9A CN201910181924A CN110016147B CN 110016147 B CN110016147 B CN 110016147B CN 201910181924 A CN201910181924 A CN 201910181924A CN 110016147 B CN110016147 B CN 110016147B
Authority
CN
China
Prior art keywords
solution
gel
metamaterial
precursor solution
structural protein
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910181924.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110016147A (zh
Inventor
刘向阳
厚琛
郭文熹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiamen University
Original Assignee
Xiamen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiamen University filed Critical Xiamen University
Priority to CN201910181924.9A priority Critical patent/CN110016147B/zh
Publication of CN110016147A publication Critical patent/CN110016147A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110016147B publication Critical patent/CN110016147B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F120/00—Homopolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride, ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F120/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F120/52—Amides or imides
    • C08F120/54—Amides, e.g. N,N-dimethylacrylamide or N-isopropylacrylamide
    • C08F120/56—Acrylamide; Methacrylamide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2333/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2333/24—Homopolymers or copolymers of amides or imides
    • C08J2333/26—Homopolymers or copolymers of acrylamide or methacrylamide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2489/00—Characterised by the use of proteins; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/08—Metals
    • C08K2003/0887—Tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2227—Oxides; Hydroxides of metals of aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/38—Boron-containing compounds
    • C08K2003/382—Boron-containing compounds and nitrogen
    • C08K2003/385—Binary compounds of nitrogen with boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

一种可调参数的声学凝胶超材料，包括：凝胶基体和功能性添加物，凝胶基体由高分子化合物和结构蛋白复合而成，功能性添加物分散在凝胶基体中。本发明还涉及一种可调参数的声学凝胶超材料的制备方法，包括以下步骤：S1、分别配制高分子化合物的单体溶液和结构蛋白溶液；S2、制备凝胶超材料的前驱体溶液；S3、固化前驱体溶液得到凝胶超材料。本发明的可调参数的声学凝胶超材料具有较好的柔韧性和力学性能，通过添加不同的功能性添加物可以实现声波在一定范围内的声速调控，工艺简单、适合大规模工艺生产。

Description

一种可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，且特别涉及一种可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法。
背景技术
声学超材料是在一种人工制造的复合材料，由于它的结构尺寸单元远小于声波波长，具有很多自然材料所不具备的性质，极大地拓展了声学材料的内涵和应用领域。随着科技的飞速发展，声学超材料在声波探测方面如水利、矿业、交通、铁道、市政等工程中得到了广泛的应用。以往的研究表明，声学超材料可以实现以远小于声波波长的结构，对低频声波及机械波进行调控，即实现小尺寸控制大波长。目前，声波材料大多采用压电陶瓷等刚性物，而这种材料往往具有抗压低、回弹效率差、拉伸和压缩稳定性差、功能单一等缺陷，无法满足不规则形状的监测需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调参数的声学凝胶超材料，此可调参数的声学凝胶超材料具有良好的柔韧性和抗压稳定性。
本发明的另一目的在于提供一种可调参数的声学凝胶超材料的制备方法，该方法工艺简单、操作方便。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种可调参数的声学凝胶超材料，包括：凝胶基体和功能性添加物，所述凝胶基体由高分子化合物和结构蛋白复合而成，所述功能性添加物分散在所述凝胶基体中。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述高分子化合物选自聚乙烯醇、聚氨酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸中的一种或者多种。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述结构蛋白选自丝素蛋白、角蛋白、大豆蛋白中的一种或者多种。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述功能性添加物选自无机化合物、无机非金属单质、金属粉末中的一种或多种。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述无机化合物选自氧化铝、氮化硼、碳化硼中的一种或者多种，所述无机单质选自土状石墨、鳞片状石墨中的一种或者多种，所述金属粉末选自铁粉、钨粉、铝粉中的一种或者多种。
本发明还提供了一种可调参数的声学凝胶超材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、分别配制高分子化合物的单体溶液和结构蛋白溶液；
S2、制备凝胶超材料的前驱体溶液，所述前驱体溶液中包括高分子化合物的单体、结构蛋白以及功能性添加物；
S3、固化所述前驱体溶液得到凝胶超材料。
进一步地，在本发明较佳实施例中，在步骤S1中，所述单体溶液的浓度为0.2-10g·mL-1。
进一步地，在本发明较佳实施例中，在步骤S1中，所述结构蛋白溶液的浓度为0.01-0.1g·mL-1。
进一步地，在本发明较佳实施例中，在步骤S2中、制备凝胶超材料的前驱体溶液包括以下步骤：
S21、将所述单体溶液和所述结构蛋白溶液混匀得到第一混合溶液；
S22、向所述第一混合溶液中加入功能性添加物，搅拌混匀得到第二混合溶液；
S23、向所述第二混合溶液中加入分散剂、引发剂、饱和氯化钠溶液后搅拌混匀得到前驱体溶液。
进一步地，在本发明较佳实施例中，在步骤S3中，固化所述前驱体溶液得到凝胶超材料的步骤为：将所述前驱体溶液转移至模具中，在50-60℃下水浴加热后，冷却至室温得到所述凝胶超材料。。
本发明实施例的可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法的有益效果是：
(1)本发明可调参数的声学凝胶超材料以凝胶作为基体材料，具有较高的弹性和柔韧性，较好的拉伸、压缩和循环恢复性能，易于加工成型；
(2)本发明通过将功能性添加物分散在所述凝胶基体中形成超材料，通过改变凝胶基体的交联密度可以调控其力学性能，通过添加不同的功能性添加物可以实现声波在一定范围内的声速调控；
(3)本发明的可调参数的声学凝胶超材料原料低廉、工艺简单、操作方便、适合大规模工业化生产，通过调控模具的大小和形状可以制备出不同形状的器件，满足不同的实际应用需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1、4、7、10的实物图；
图2为本发明对比例1在500％的拉伸应变下的循环拉伸应力应变曲线；
图3为本发明实施例1在500％的拉伸应变下的的循环拉伸应力应变曲线；
图4为本发明对比例1在30％压缩应变下的循环压缩应力应变曲线；
图5为本发明实施例1在30％压缩应变下的循环压缩应力应变曲线；
图6为本发明实施例1的拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法进行具体说明。
本发明提供了一种可调参数的声学凝胶超材料，包括：凝胶基体和功能性添加物，所述凝胶基体由高分子化合物和结构蛋白复合而成，所述功能性添加物分散在所述凝胶基体中。以凝胶作为基体材料，使其具有较高的弹性和柔韧性，较好的拉伸、压缩和循环恢复性能。通过添加不同的功能性添加物可以实现声波在一定范围内的声速调控，可在实际应用过程中根据需求进行调整。
进一步地，所述高分子化合物选自聚乙烯醇、聚氨酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸中的一种或者多种。高分子化合物用于形成的非共价交联网络，以供功能性添加物质的固定分散。可选的，高分子化合物还可以是其他聚丙烯酰胺类或聚丙烯酸酯类合成高分子化合物如聚甲基丙烯酸、聚N-异丙基丙烯酰胺，聚N-羟甲基丙烯酰胺等，也可以是天然高分子化合物如壳聚糖、明胶、海藻酸钠等，本发明不作具体限定。优选的，合成高分子化合物的单体原料廉价易得、制备方法简单、操作方便、易于大规模工业化生产。
进一步地，所述结构蛋白选自丝素蛋白、角蛋白、大豆蛋白中的一种或者多种。结构蛋白与高分子聚合物之间存在较强的非公价交联作用，通过改变结构蛋白的种类和浓度可以进一步调控其机械强度。优选的，丝素蛋白选自家蚕丝、柞蚕丝中、蓖麻蚕丝中的一种，不仅具有良好的生物相容性，还具有良好的机械性能和理化性质，如良好的柔韧性和抗拉伸强度，可以增强基体材料的力学性能。
进一步地，所述功能性添加物选自无机化合物、无机非金属单质、金属粉末中的一种或多种。通过将功能性添加物分散在所述凝胶基体中形成异质均匀结构，通过改变凝胶基体的交联密度可以调控其力学性能，通过添加不同的功能性添加物可以实现对声波传输速率的调控。
进一步地，所述无机化合物选自氧化铝、氮化硼、碳化硼中的一种或者多种，所述无机单质选自土状石墨、鳞片状石墨中的一种或者多种，所述金属粉末选自铁粉、钨粉、铝粉中的一种或者多种。
本发明提供了一种可调参数的声学凝胶超材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、分别配制高分子化合物的单体溶液和结构蛋白溶液。
进一步地，在步骤S1中，所述单体溶液的浓度为0.2-10g·mL-1。
进一步地，在步骤S1中，所述结构蛋白溶液的浓度为0.01-0.1g·mL-1。当单体溶液的浓度或结构蛋白溶液的浓度过高时，水凝胶交联网络的密度较大，不利于功能性添加物的复合，水凝胶基体的杨氏模量增大，刚性增加，柔韧性变差；当单体溶液或结构蛋白的浓度过小时，交联结构缺少稳定的非共价交联点，机械强度较低。可选的，当单体溶液浓度为0.5g·mL-1，结构蛋白溶液的浓度为0.06g·mL-1时，凝胶具有较好的柔韧性和力学性能。
S2、制备凝胶超材料的前驱体溶液，所述前驱体溶液中包括高分子化合物的单体、结构蛋白以及功能性添加物；
进一步地，在步骤S2中、制备凝胶超材料的前驱体溶液包括以下步骤：
S21、将所述单体溶液和所述结构蛋白溶液混匀得到第一混合溶液；
S22、向所述第一混合溶液中加入功能性添加物，搅拌混匀得到第二混合溶液；
S23、向所述第二混合溶液中加入分散剂、引发剂、饱和氯化钠溶液后搅拌混匀得到前驱体溶液。
其中，采用分步混合的方式有利于使功能性添加物和引发剂均匀分散。可选的，所述分散剂可以是常用的无机分散剂：六偏磷酸钠、焦磷酸钠等；也可以是有机小分子分散剂，如各类表面活性剂：十二烷基磺酸钠；或者是高分子分散剂，如聚丙烯酸钠盐、聚乙烯吡咯烷酮、乙酸乙酯、酚醛树脂等。
可选的，所述引发剂的浓度为0.2-1g·L-1。所述引发剂可以为热引发剂，例如可以是过硫酸钾、过硫酸铵或氧化二苯甲酰中一种或多种，也可以是光引发剂，例如可以是苯偶姻及衍生物、苯偶酰类、酰基磷氧化物中一种或多种，本发明不作具体限定。
氯化钠饱和溶液的加入，使高分子单体或结构蛋白与氯化钠之间形成N-H···Cl的氢键非共价交联，使交联结构更加稳定。
S3、固化所述前驱体溶液得到凝胶超材料。
进一步地，在步骤S3中，固化所述前驱体溶液得到凝胶超材料的步骤为：将所述前驱体溶液转移至模具中，在50-60℃下水浴加热后，冷却至室温得到所述凝胶超材料。可选的，可以采用其他的加热方式引发所述前躯体溶液固化。可选的，当所述引发剂为光引发剂时，可将所述模具转移至紫外光条件下静置30-60min进行固化。
可选的，通过调控模具的大小和形状可以制备出不同形状的水凝胶，满足不同的实际应用需要。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入5g石墨粉，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例2
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入15g石墨粉，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例3
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入30g石墨粉，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例4
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入5g氮化硼，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例5
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入15g氮化硼，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例6
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入25g氮化硼，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例7
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入30g钨粉，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例8
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入50g钨粉，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例9
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入70g钨粉，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例10
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入5g氧化铝，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例11
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入15g氧化铝，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
实施例12
S1、分别配制0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液和0.06g/mL的丝素蛋白水溶液各20ml，将所述丙烯酰胺水溶液与所述丝素蛋白水溶液在机械搅拌下混合均匀得到第一混合液；
S2、向所述第一混合液中加入25g氧化铝，持续机械搅拌使其混合均匀得到第二混合液，向所述第二混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min,得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
对比例1
本对比例提供了一种可调参数的声学凝胶超材料，按如下步骤制备：
S1、配制40ml浓度为0.5g/mL的丙烯酰胺水溶液；
S2、向所述丙烯酰胺水溶液中加入5g氧化铝，持续机械搅拌使其混合均匀得到混合液，向所述混合液中加入0.4g十二烷基磺酸钠、0.36g过硫酸铵以及0.1ml饱和氯化钠溶液，持续搅拌30min，得到前驱体溶液；
S3、将所述前驱体溶液转移至直径为3cm的圆柱形模具中，在50℃的水浴中加热固化6h，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
试验例1
测定实施例1与对比例1中可调参数的声学凝胶超材料的循环拉伸和压缩应力应变曲线，测试方法如下：
采用AGS-J型电子万能材料试验机，以单轴拉伸和单轴压缩方式对样品进行测定。拉伸测试样品为直径3.3mm，长度35mm的柱状样品。夹具间距调整为20mm，拉伸速率为10mm/min；压缩样品尺寸为直径6.3mm，长10mm的柱状样品，压缩速率为5mm/min，所有样品均在室温25℃条件下测定。
数据处理：应力和应变计算方法分别按照式(1-1)和(1-2)进行处理：
σ＝F/S (1-1)
ε＝L/L0×100％ (1-2)
其中σ为断裂应力(MPa)，F为拉力值(N)，S为样品横截面积(mm2)。ε为应变(％)，L为样品位移值(mm)，L0为夹具之间的初始间距(20mm)。
测试结果如图2-6所示，从图3、5中可以看出，在循环拉伸和循环压缩的过程中，材料具有明显的滞后回线，说明凝胶基体网络中氢键等非共价交联结构在应变下有效的耗散能量，发生了快速的可逆重组，使得材料的形变能够快速的恢复，表现出很好的弹性和自恢复性能。通过对比图2、3可以看出，本申请的可调参数的声学凝胶超材料可以在500％的拉伸应变下可以持续循环300次以上。从图6可以看出，材料最大拉伸应变可达25倍，断裂强度达到了160KPa，该材料具有较高的强度和柔韧性。
试验例2
采用脉冲回波法测定实施例1-4的声波速率，具体方法如下，测量超声脉冲波在距离为L的样品池内来回多次反射所需的时间。将样品的厚度L以及声波脉冲连续两个回波信号的时间间隔t代入式(1-3)，就可计算得出样品的声速值
v＝2L/t (1-3)
测量结果如表1所示。
表1不同添加物组分的声速测定
Figure BDA0001991584520000141
由上表可知，该可调参数的声学凝胶超材料可以实现声波在1000-2500m·s-1的声速调控，通过在凝胶基体中分散不同种类和含量的功能性添加物可以实现对声波传输速率的调控，制备出具有不同调控速率的梯度材料。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种可调参数的声学凝胶超材料，其特征在于，包括：凝胶基体和功能性添加物，所述凝胶基体由高分子化合物和结构蛋白复合而成，所述功能性添加物分散在所述凝胶基体中；
所述高分子化合物为聚丙烯酰胺；
所述结构蛋白为丝素蛋白；
所述功能性添加物选自无机化合物、无机非金属单质、金属粉末中的一种；所述无机化合物为氧化铝或氮化硼，所述无机非金属单质为石墨粉，所述金属粉末为钨粉；
所述声学凝胶超材料通过以下方法制备：
S1、分别配制高分子化合物的单体溶液和结构蛋白溶液；所述单体溶液的浓度为0.2-10g·mL-1；所述结构蛋白溶液的浓度为0.01-0.1g·mL-1；
S2、制备凝胶超材料的前驱体溶液，所述前驱体溶液中包括高分子化合物的单体、结构蛋白以及功能性添加物；
S3、固化所述前驱体溶液得到凝胶超材料。
2.一种可调参数的声学凝胶超材料的制备方法，应用于制备如权利要求1所述的可调参数的声学凝胶超材料，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别配制高分子化合物的单体溶液和结构蛋白溶液；所述单体溶液的浓度为0.2-10g·mL-1；所述结构蛋白溶液的浓度为0.01-0.1g·mL-1；
S2、制备凝胶超材料的前驱体溶液，所述前驱体溶液中包括高分子化合物的单体、结构蛋白以及功能性添加物；
S3、固化所述前驱体溶液得到凝胶超材料。
3.根据权利要求2所述的可调参数的声学凝胶超材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中、制备凝胶超材料的前驱体溶液包括以下步骤：
S21、将所述单体溶液和所述结构蛋白溶液混匀得到第一混合溶液；
S22、向所述第一混合溶液中加入功能性添加物，搅拌混匀得到第二混合溶液；
S23、向所述第二混合溶液中加入分散剂、引发剂、饱和氯化钠溶液后搅拌混匀得到前驱体溶液；
所述分散剂为十二烷基磺酸钠；
所述引发剂为过硫酸铵。
4.根据权利要求2所述的可调参数的声学凝胶超材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，固化所述前驱体溶液得到凝胶超材料的步骤为：将所述前驱体溶液转移至模具中，在50-60℃下水浴加热后，冷却至室温得到所述凝胶超材料。
CN201910181924.9A 2019-03-11 2019-03-11 一种可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法 Active CN110016147B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910181924.9A CN110016147B (zh) 2019-03-11 2019-03-11 一种可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910181924.9A CN110016147B (zh) 2019-03-11 2019-03-11 一种可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110016147A CN110016147A (zh) 2019-07-16
CN110016147B true CN110016147B (zh) 2021-02-26

Family

ID=67189484

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910181924.9A Active CN110016147B (zh) 2019-03-11 2019-03-11 一种可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110016147B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113004555A (zh) * 2021-02-18 2021-06-22 重庆大学 一种柔性超声衰减膜的制备方法
CN114716713B (zh) * 2022-04-15 2023-04-14 厦门大学 一种宽带可调参数的声速梯度柔性凝胶材料及其制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104710584B (zh) * 2015-03-16 2018-08-03 清华大学 高分子水凝胶及其制备方法
CN108329634A (zh) * 2017-01-20 2018-07-27 中国科学院烟台海岸带研究所 胶原蛋白/碳纳米管/聚丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法
EP3395861A1 (en) * 2017-04-24 2018-10-31 Stichting Katholieke Universiteit Biomimetic double network hydrogels
CN107118360A (zh) * 2017-06-10 2017-09-01 复旦大学 一种大豆分离蛋白基天然高分子水凝胶及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110016147A (zh) 2019-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110922611B (zh) 高强度导电且耐高低温的MXene水凝胶及其制备方法和应用
CN104710584A (zh) 高分子水凝胶及其制备方法
CN110016147B (zh) 一种可调参数的声学凝胶超材料及其制备方法
CN101382484B (zh) 一种对湿度变化敏感的导电水凝胶复合材料及制备方法
Meng et al. Synthesis and swelling property of superabsorbent starch grafted with acrylic acid/2‐acrylamido‐2‐methyl‐1‐propanesulfonic acid
CN111004400B (zh) 一种导电聚合物网络结构可调节的碱溶壳聚糖-聚丙烯酰胺-聚苯胺导电水凝胶材料
Peng et al. Biomimetic jellyfish-like PVA/graphene oxide nanocomposite hydrogels with anisotropic and pH-responsive mechanical properties
CN103435951A (zh) 一种纳米复合高分子双网络水凝胶及其制备方法
CN110885405B (zh) 一种纤维素纳米晶疏水多孔粉体及其制备方法
CN110938894A (zh) 一种抗冻、自修复导电纳米复合水凝胶纤维及其制备方法
Li et al. pH/temperature double responsive behaviors and mechanical strength of laponite‐crosslinked poly (DEA‐co‐DMAEMA) nanocomposite hydrogels
Wang et al. Enhanced swelling and responsive properties of an alginate-based superabsorbent hydrogel by sodium p-styrenesulfonate and attapulgite nanorods
JP2009127035A (ja) 有機無機複合ヒドロゲルの製造方法
Li et al. Rapid preparation of PAM/N-CNT nanocomposite hydrogels by DEM frontal polymerization and its performance study
CN109437959A (zh) 一种环保型凝胶注模制备莫来石纤维基多孔陶瓷的方法
CN110194877A (zh) 一种纳米复合水凝胶及其制备方法和用途
Jian et al. Process dependant setting behavior of aqueous gelcast AlN slurries
CN110540659A (zh) 一种高拉伸性自修复水凝胶及其制备方法
CN110498937B (zh) 一种网状蜘蛛丝填充水凝胶的高导热绝缘弹性体热界面材料及其制备方法
CN113603993A (zh) 一种自愈合聚合物-纳米复合材料的制备方法
CN109851965B (zh) 一种纳米复合高吸水性材料及其制备方法
CN110669159B (zh) 一种超分子聚合物水凝胶、其制备和应用
JP5202903B2 (ja) カルボン酸基又はスルホン酸基を有する有機無機複合ヒドロゲルの製造方法
CN102504095A (zh) 一种高力学和导电性能水凝胶的制备方法
Jinping et al. Performance of filled polymer systems under novel dynamic extrusion processing conditions

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Liu Xiangyang

Inventor after: Hou Chen

Inventor after: Zhang Chuang

Inventor after: Zhang Yu

Inventor after: Guo Wenxi

Inventor before: Liu Xiangyang

Inventor before: Hou Chen

Inventor before: Guo Wenxi

CB03 Change of inventor or designer information