CN110628045A - 一种聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶及制备方法。属于高分子水凝胶技术领域。所述的水凝胶是由聚苯胺包覆二氧化硅所形成的纳米微球作为缔合点,将其和甲基丙烯酸月桂酯这种疏水单体共同引入化学交联的丙烯酰胺凝胶网络体系中得到的。由于化学交联和疏水的相互作用,大大的提高了凝胶的力学性能。与此同时,微球表面的导电聚合物聚苯胺壳层将与凝胶体系中的无机盐形成导电网络,从而赋予了水凝胶良好的电学性能。本发明的聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶最大应力可达1393kPa、最大断裂伸长率可达3306%、电导率最大可达12.4mS/cm。
Description
技术领域
本发明提供了一种聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶及制备方法,属于高分子水凝胶技术领域。
背景技术
自上世纪70年代以来,在世界范围内就己经掀起了对导电高分子材料研究和开发的热潮。其中,在能量存储、传感器和电致变色等领域中,最广泛应用的三类聚合物分别是聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)、聚吡咯(PPy)和聚苯胺(PANI)。相比之下,聚苯胺是一种具有良好热稳定性的无毒和低成本的聚合物,由于聚苯胺较高的电导率、化学或电化学氧化还原可逆性、极性官能团和离子交换性质而受到人们的广泛关注。但是,由于聚苯胺的溶解性和加工性较差,使得聚苯胺翡翠盐形态的一些技术应用受到了限制。为了克服弊端,导电聚合物/无机杂化材料已被广泛合成,并成为重要的研究课题。
水凝胶具有溶胀不溶解的三维网络结构。这种材料是由大量的水和少量聚合物组成的三维网络结构的软物质,大多数水凝胶为了提高和拓展水凝胶的功能性和应用领域,在水凝胶中引入导电成分常规的化学交联水凝胶的力学性能差,不能满足实际应用需求,因此本专利采用聚苯胺包覆二氧化硅制备了一种核壳粒子,开发出一种核壳粒子增韧的导电水凝胶。
发明内容
本发明的目的是为了解决已有技术存在的问题,本发明提供了一种聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的制备方法。
本发明的一种聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶,其特征在于通过聚苯胺包覆二氧化硅这种有机无机杂化的纳米微球为缔合点与疏水单体和丙烯酰胺制备了复合水凝胶。
本发明的一种聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的制备方法的步骤和条件如下:
(1)二氧化硅表面功能化
称取15-20g粒径为150nm的纳米硅溶胶溶液加入到含有一定量的的十二烷基硫酸钠和乙醇溶液的三口瓶中,向三口瓶中加入一定量的[3-(三甲氧基硅基)丙基]苯胺单体。磁力搅拌12小时后升温至80℃,加热回流2小时,而后离心烘干,最后得到功能化后的二氧化硅。
(2)核壳微球的制备
将10-15g二氧化硅纳米粒子和1g苯胺单体加入到含有100ml去离子水中,用盐酸调节PH至3.5,搅拌1小时,然后向烧杯中缓慢滴加2.45g过硫酸铵溶液,反应6-8小时,而后离心烘干。所得固体即为聚苯胺包覆二氧化硅纳米粒子的核壳微球。
(3)聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的制备
a、向含有一定量去离子水的烧杯中加入0.35-0.6g的十二烷基硫酸钠,0.2-0.5g氯化钠,10分钟后,向烧杯中加入0.2-0.35g的甲基丙烯酸月桂酯和占丙烯酰胺单体0.006wt%-0.01wt%的核壳微球,磁力搅拌3小时,而后加入丙烯酰胺单体8-10g,溶解后再加入引发剂,搅拌15-30分钟,得到均匀的混合溶液。
b、将上述步骤a得到的均匀的混合溶液加入到密封的专用模具中,加热到60℃,恒温反应8小时。最后得到苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶。
有益效果:本发明提供的一种聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的制备方法,该发明首次将聚苯胺包覆二氧化硅所制备的纳米核壳微球引入到疏水缔合水凝胶体系当中,这种有机无机杂化的纳米微球作为疏水单体存在于水凝胶内部,由于疏水缔合网络的物理作用力,对水凝胶有明显的补强作用,因此水凝胶的力学性能明显提升。所制备的水凝胶拉伸强度平均值为894kPa-1393kPa,断裂伸长率平均值为894kPa-1393kPa和2682%-3306%而且,导电聚合物聚苯胺引入凝胶后,核壳微球与凝胶内部的无机盐粒子形成导电网络,协同促进水凝胶的电学性能,电导率能平均值达到9.2mS/cm-12.4mS/cm。这种高强度的柔性导电凝胶在可穿戴的电子显示器,以及电信号的监测传感器等领域,具有良好的应用前景,拓宽了水凝胶的应用领域。
下面将结合本发明实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
具体实施方式
本发明的一种聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶,其特征在于通过聚苯胺包覆二氧化硅这种有机无机杂化的纳米微球为缔合点与疏水单体和丙烯酰胺制备了复合水凝胶。其制备方法的步骤和条件如下实施例。
实施例1 一种聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的制备方法的步骤和条件如下:
(1)二氧化硅表面功能化
称取20g粒径为150nm的纳米硅溶胶溶液加入到含有一定量的的十二烷基硫酸钠和乙醇溶液的三口瓶中,向三口瓶中加入一定量的[3-(三甲氧基硅基)丙基]苯胺单体。磁力搅拌12小时后升温至80℃,加热回流2小时,而后离心烘干,最后得到功能化后的二氧化硅。
(2)核壳微球的制备
将12.5g二氧化硅纳米粒子和1g苯胺单体加入到含有100ml去离子水中,用盐酸调节PH至3.5,搅拌1小时,然后向烧杯中缓慢滴加2.45g过硫酸铵溶液,反应6-8小时,而后离心烘干。所得固体即为聚苯胺包覆二氧化硅纳米粒子的核壳微球。
(3)聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的制备
a、向含有一定量去离子水的烧杯中加入0.5g的十二烷基硫酸钠,0.3g氯化钠,10分钟后,向烧杯中加入0.3g的甲基丙烯酸月桂酯和占丙烯酰胺单体0.006wt%的核壳微球,磁力搅拌3小时,而后加入丙烯酰胺单体9g,溶解后再加入引发剂,搅拌15-30分钟,得到均匀的混合溶液。
b、将上述步骤a得到的均匀的混合溶液加入到密封的两块平行玻璃板中间又2mm厚硅胶板组成的三明治结构的模具中,加热到60℃,恒温反应8小时。最后得到聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶。
本发明制备的聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的力学性能测试方法:将所制备的水凝胶通过切割工具(水凝胶厚度和切刀宽度分别为2mm 和4mm)切割成长度为6mm的哑铃形样品,取本实施例条件下的3个水凝胶制备样品,在Instron6022万能材料试验机上进行力学拉伸试验,拉伸速率为100mm/min,测定其力学性能。
本发明制备的水凝胶电学性能采用交流阻抗能谱来对水凝胶的电导率进行测试,测试方法为四电极法,取本实施例条件下的三个样条,采用电化学仪器Autolab(AUT86925)在1-107 Hz频率范围内,50-500 mv电压来对样品的电导率进行测试。测得的数据采用以下公式进行计算:
σ=L/RS
其中:σ为电导率(mS/cm),R为水凝胶样品的电阻(Ω),L为相邻两个探针之间的距离(cm),S为水凝胶样品与电极接触的横截面积(cm2)。
实施例1制备的聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶拉伸强度和断裂伸长率平均值分别为894kPa和2682%,电导率能达到9.2mS/cm。
实施例2
步骤和条件同实施例1,区别在于制备水凝胶过程中聚苯胺包覆二氧化硅核壳纳米微球的添加量占丙烯酰胺单体0.007wt%。
实施例2制备的聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶拉伸强度和断裂伸长率平均值分别为1291kPa和2936%,电导率能达到10.6mS/cm。
实施例3
步骤和条件同实施例1,区别在于制备水凝胶过程中聚苯胺包覆二氧化硅核壳纳米微球的添加量占丙烯酰胺单体0.008wt%。
实施例3制备的聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶拉伸强度和断裂伸长率平均值分别为1338kPa和3161%,电导率能达到11.1mS/cm。
实施例4
步骤和条件同实施例1,区别在于制备水凝胶过程中聚苯胺包覆二氧化硅核壳纳米微球的添加量占丙烯酰胺单体0.009wt%。
实施例4制备的聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶拉伸强度和断裂伸长率平均值分别为1393kPa和3306%,电导率能达到12.4mS/cm。
实施例5
步骤和条件同实施例1,区别在于制备水凝胶过程中聚苯胺包覆二氧化硅核壳纳米微球的添加量占丙烯酰胺单体0.01wt%。
实施例5制备的聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶拉伸强度和断裂伸长率平均值分别为978kPa和3291%,电导率能达到11.3mS/cm。
对比例1
步骤和条件同实施例1,区别在于制备水凝胶过程中不添加聚苯胺包覆二氧化硅核壳纳米微球。
对比例1制备的聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶拉伸强度和断裂伸长率平均值分别为589kPa和2115%。电导率能达到1.1mS/cm。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种核壳结构增韧水凝胶,包括聚苯胺,二氧化硅及聚丙烯酰胺成胶主体,其特征在于所述水凝胶为用聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球来增韧水凝胶,聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球的含量为0.006wt%-0.01wt%。
2.一种权利要求1所述的核壳结构增韧水凝胶的制备方法,包括以下步骤:二氧化硅表面功能化、核壳微球的制备、聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的制备。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于所述二氧化硅表面功能化的制备过程为:称取15-20g粒径为150nm的纳米硅溶胶溶液加入到含有一定量的的十二烷基硫酸钠和乙醇溶液的三口瓶中,向三口瓶中加入一定量的[3-(三甲氧基硅基)丙基]苯胺单体,磁力搅拌12小时后升温至80℃,加热回流2小时,而后离心烘干。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于所述核壳微球的制备过程为:将12.5g二氧化硅纳米粒子和1g苯胺单体加入到含有100ml去离子水中,用盐酸调节PH至3.5,搅拌1小时,然后向烧杯中缓慢滴加2.45g过硫酸铵溶液,反应6-8小时,而后离心烘干,所得固体即为聚苯胺包覆二氧化硅纳米粒子的核壳微球。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于所述聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的制备为:
a、向含有一定量去离子水的烧杯中加入0.35-0.6g的十二烷基硫酸钠,0.2-0.5g氯化钠,10分钟后,向烧杯中加入0.2-0.35g的甲基丙烯酸月桂酯和占丙烯酰胺单体0.006wt%-0.01wt%的核壳微球,磁力搅拌3小时,而后加入丙烯酰胺单体8-10g,溶解后再加入引发剂,搅拌15-30分钟,得到均匀的混合溶液;
b、将上述步骤a得到的均匀的混合溶液加入到密封的专用模具中,加热到60℃,恒温反应8小时,最后得到聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于所述聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶的制备还可以为:
a、向含有一定量去离子水的烧杯中加入0.5g的十二烷基硫酸钠,0.3g氯化钠,10分钟后,向烧杯中加入0.3g的甲基丙烯酸月桂酯和0.09wt%的核壳微球,磁力搅拌3小时,而后加入丙烯酰胺单体9g,溶解后再加入引发剂,搅拌15-30分钟,得到均匀的混合溶液;
b、将上述步骤a得到的均匀的混合溶液加入到专用模具中,加热到60℃,恒温反应8小时,最后得到聚苯胺包覆二氧化硅核壳微球增韧水凝胶。
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