CN110804145A - 一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水凝胶技术领域，且公开了一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法，包括以下配方原料：Al‑Si3N4复合材料、硅烷偶联剂、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、溴代正癸烷、三乙胺、引发剂。该一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯与癸基三乙基溴化铵原位自由基聚合形成聚合物，通过碳碳双键交联聚合成为三维网络聚合物化学凝胶，具有优异的吸水量，同时通过化学键交联的作用可以保持可逆的形变，Br负离子在水凝胶内部形成电解质，增强了水凝胶材料的离子导电率，Al‑Si3N4复合材料，其具有优异的导热系数和电导率，增加了水凝胶内部的孔隙结构，同时大幅增强了水凝胶材料的导热性能和导电性能。

Description

一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法
技术领域
本发明涉及水凝胶领域，具体为一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法。
背景技术
水凝胶是一种亲水性极强的三维网络结构凝胶，水凝胶内部中存在交联网络，具有在水中迅速溶胀，并且在溶胀状态可以吸收大量体积的水的特点，吸水量与内部交联度有关，交联度越大，吸水量越低，水凝胶的聚集态介于非完全固态和非完全液态之间，非完全液态是溶质可以从水凝胶中扩散或渗透，非完全固态可以使水凝胶维持一定的形状与体积。
水凝胶作为一种高吸水高保水材，在抗旱材料、化妆品面膜、农业薄膜、建筑材料调湿剂、医疗药物载体等方面有着广泛的应用，但是目前的水凝胶材料的电导率较低，导电性能较差，并且水凝胶材料到导热系数不高，在高温条件下，水凝胶材料的耐热性能较差，内部材质的网络键合作用降低，容易分散不可逆形变甚至分解。
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法，解决了水凝胶材料的电导率较低，导电性能较差的问题，同时解决了水凝胶材料的导热性能不高，耐热性较差的问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法，包括以下按重量份数计的配方原料：5-16份Al-Si3N4复合材料、1.5-2份硅烷偶联剂、20-24份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、42-46份溴代正癸烷、20-22份三乙胺、0.5-1份引发剂。
优选的，所述硅烷偶联剂为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。
优选的，所述引发剂为偶氮二异丁酸二甲酯。
优选的，所述Al-Si3N4复合材料制备方法包括以下步骤：
（1）向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4和AlF3，球磨机公转转速为80-110 rpm，自转转速为600-640 rpm，进行球磨，直至物料全部通过600-800目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合物置于气氛电阻炉中，升温速率为10-15 ℃/min，升至1620-1650 ℃，在N2氛围下煅烧2-3 h，在1620-1650 ℃下退火1-2 h，煅烧产物为F掺杂Si3N4。
（2）向反应瓶中加入适量的乙醇溶剂，再加入羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至40-50 ℃，在22-28 KHz下进行超声处理2-3 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂、使用适量的蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到Si3N4-碳纳米管复合材料。
（3）向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4-碳纳米管复合材料和Al单质，球磨机公转转速为60-100 rpm，自转转速为620-650 rpm，进行球磨，直至物料全部通过800-1000目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合产物置于气氛电阻炉中，升温速率为10-15 ℃/min，升至600-620 ℃，在N2氛围下煅烧2-3 h，在600-620 ℃下退火0.5-1h，煅烧产物为Al-Si3N4复合材料。
优选的，所述Si3N4和AlF3物质的量摩尔比为18-22:1。
优选的，所述羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，三者质量比为60-75:40-50:1。
优选的，所述Si3N4-碳纳米管复合材料和Al单质质量比为1:12-15。
优选的，所述高导热导电性的水凝胶复合材料制备方法包括以下步骤：
（1）向反应瓶中加入乙醇溶剂，再加入5-16份Al-Si3N4复合材料、1.5-2份硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至50-60 ℃，匀速搅拌反应10-15 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到改性Al-Si3N4复合材料。
（2）向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂，再依次加入42-46份溴代正癸烷和20-22份三乙胺，将反应瓶置于油浴锅中，加热至110-120 ℃，匀速搅拌回流反应60-70 h，将溶液减压浓缩除去溶剂，使用适量的乙醚溶剂洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到癸基三乙基溴化铵。
（3）向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂，依次加入20-24份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、0.5-1份引发剂偶氮二异丁酸二甲酯、步骤（1）制得的改性Al-Si3N4复合材料和步骤（2）制得的癸基三乙基溴化铵，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至70-80 ℃，在22-28 KHz下进行超声处理2-3 h，将溶液置于油浴锅中，加热至100-110，℃，匀速搅拌反应1-2 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量的乙醇溶剂洗涤和透析固体产物，并充分干燥，制备得到高导热导电性的水凝胶复合材料。
（三）有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
该一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法，使用聚乙二醇二甲基丙烯酸酯与癸基三乙基溴化铵原位自由基聚合形成聚合物，作为水凝胶材料的基体，碳碳双键交联聚合成为永久性的三维网络聚合物化学凝胶，而非通过物理作用力交联的物理凝胶，水凝胶材料具有大量的醚键，可以与水分子形成氢键，并且聚合物分子之间优拥有丰富的孔隙结构，使水凝胶材料具有优异的吸水量，并且在保水和脱水的同时，通过化学键交联的作用可以保持可逆的形变。
该一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法，癸基三乙基溴化铵中的Br负离子与水分子作用形成氢键，使Br负离子聚集体解离和分散，在水凝胶内部形成电解质，产生大量的自由移动的离子，增强了水凝胶材料的离子导电率，使材料呈现出良好的导电性。
该一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法，使用Al-Si3N4复合材料作为填料，F掺杂Si3N4，降低了Si3N4的晶格氧含量，使Si3N4形成导热性更好的β-Si3N4晶体，β-Si3N4晶体均匀的负载在碳纳米管表面和层间距之间，碳纳米管与单质Al在高温煅烧下形成微量的Al4C3层，增强了碳纳米管与单质Al的交联度和相容性，从而形成Al-Si3N4复合材料，其具有优异的导热和导电性能，通过硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷使Al-Si3N4复合材料均匀地分散和掺杂与水凝胶相容，不仅增加了水凝胶内部的孔隙结构，同时大幅增强了水凝胶材料的导热性能和导电性能。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法，包括以下按重量份数计的配方原料：5-16份Al-Si3N4复合材料、1.5-2份硅烷偶联剂、20-24份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、42-46份溴代正癸烷、20-22份三乙胺、0.5-1份引发剂，硅烷偶联剂为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，引发剂为偶氮二异丁酸二甲酯。
Al-Si3N4复合材料制备方法包括以下步骤：
（1）向行星球磨机中加入乙醇溶剂，Si3N4和AlF3，两者物质的量摩尔比为18-22:1，球磨机公转转速为80-110 rpm，自转转速为600-640 rpm，进行球磨，直至物料全部通过600-800目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合物置于气氛电阻炉中，升温速率为10-15 ℃/min，升至1620-1650 ℃，在N2氛围下煅烧2-3 h，在1620-1650 ℃下退火1-2 h，煅烧产物为F掺杂Si3N4。
（2）向反应瓶中加入适量的乙醇溶剂，再加入羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，三者质量比为60-75:40-50:1，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至40-50 ℃，在22-28 KHz下进行超声处理2-3 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂、使用适量的蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到Si3N4-碳纳米管复合材料。
（3）向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4-碳纳米管复合材料和Al单质，质量比为1:12-15，球磨机公转转速为60-100 rpm，自转转速为620-650 rpm，进行球磨，直至物料全部通过800-1000目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合产物置于气氛电阻炉中，升温速率为10-15 ℃/min，升至600-620 ℃，在N2氛围下煅烧2-3 h，在600-620 ℃下退火0.5-1 h，煅烧产物为Al-Si3N4复合材料。
高导热导电性的水凝胶复合材料制备方法包括以下步骤：
（1）向反应瓶中加入乙醇溶剂，再加入5-16份Al-Si3N4复合材料、1.5-2份硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至50-60 ℃，匀速搅拌反应10-15 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到改性Al-Si3N4复合材料。
（2）向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂，再依次加入42-46份溴代正癸烷和20-22份三乙胺，将反应瓶置于油浴锅中，加热至110-120 ℃，匀速搅拌回流反应60-70 h，将溶液减压浓缩除去溶剂，使用适量的乙醚溶剂洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到癸基三乙基溴化铵。
（3）向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂，依次加入20-24份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、0.5-1份引发剂偶氮二异丁酸二甲酯、步骤（1）制得的改性Al-Si3N4复合材料和步骤（2）制得的癸基三乙基溴化铵，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至70-80 ℃，在22-28 KHz下进行超声处理2-3 h，将溶液置于油浴锅中，加热至100-110，℃，匀速搅拌反应1-2 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量的乙醇溶剂洗涤和透析固体产物，并充分干燥，制备得到高导热导电性的水凝胶复合材料。
实施例1
（1）制备F掺杂Si3N4组分1：向行星球磨机中加入乙醇溶剂，Si3N4和AlF3，两者物质的量摩尔比为18:1，球磨机公转转速为80 rpm，自转转速为600 rpm，进行球磨，直至物料全部通过600目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合物置于气氛电阻炉中，升温速率为10 ℃/min，升至1620 ℃，在N2氛围下煅烧2 h，在1620 ℃下退火1 h，煅烧产物为F掺杂Si3N4组分1。
（2）制备F掺杂Si3N4组分1：向反应瓶中加入适量的乙醇溶剂，再加入羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4组分1和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，三者质量比为60:40:1，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至40 ℃，在22 KHz下进行超声处理2 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂、使用适量的蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到Si3N4-碳纳米管复合材料1。
（3）制备Al-Si3N4复合材料1：向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4-碳纳米管复合材料1和Al单质，质量比为1:12，球磨机公转转速为60 rpm，自转转速为620 rpm，进行球磨，直至物料全部通过800目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合产物置于气氛电阻炉中，升温速率为10 ℃/min，升至600 ℃，在N2氛围下煅烧2 h，在600 ℃下退火0.5 h，煅烧产物为Al-Si3N4复合材料1。
（4）制备改性Al-Si3N4复合材料1：向反应瓶中加入乙醇溶剂，再加入16份Al-Si3N4复合材料1、1.5份硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至50 ℃，匀速搅拌反应10 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到改性Al-Si3N4复合材料1。
（5）制备癸基三乙基溴化铵化合物1：向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂，再依次加入42份溴代正癸烷和20份三乙胺，将反应瓶置于油浴锅中，加热至110 ℃，匀速搅拌回流反应60 h，将溶液减压浓缩除去溶剂，使用适量的乙醚溶剂洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到癸基三乙基溴化铵化合物1。
（6）制备高导热导电性的水凝胶复合材料1：向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂，依次加入20份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、0.5份引发剂偶氮二异丁酸二甲酯、改性Al-Si3N4复合材料1和癸基三乙基溴化铵化合物1，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至70 ℃，在22 KHz下进行超声处理2 h，将溶液置于油浴锅中，加热至100，℃，匀速搅拌反应1 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量的乙醇溶剂洗涤和透析固体产物，并充分干燥，制备得到高导热导电性的水凝胶复合材料1。
实施例2
（1）制备F掺杂Si3N4组分2：向行星球磨机中加入乙醇溶剂，Si3N4和AlF3，两者物质的量摩尔比为22:1，球磨机公转转速为80 rpm，自转转速为600 rpm，进行球磨，直至物料全部通过800目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合物置于气氛电阻炉中，升温速率为10 ℃/min，升至1650 ℃，在N2氛围下煅烧2 h，在1650 ℃下退火2 h，煅烧产物为F掺杂Si3N4组分2。
（2）制备F掺杂Si3N4组分2：向反应瓶中加入适量的乙醇溶剂，再加入羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4组分2和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，三者质量比为75:40:1，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至50 ℃，在22 KHz下进行超声处理3 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂、使用适量的蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到Si3N4-碳纳米管复合材料2。
（3）制备Al-Si3N4复合材料2：向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4-碳纳米管复合材料2和Al单质，质量比为1:12，球磨机公转转速为100 rpm，自转转速为620 rpm，进行球磨，直至物料全部通过1000目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合产物置于气氛电阻炉中，升温速率为15 ℃/min，升至620 ℃，在N2氛围下煅烧3 h，在620℃下退火0.5 h，煅烧产物为Al-Si3N4复合材料2。
（4）制备改性Al-Si3N4复合材料2：向反应瓶中加入乙醇溶剂，再加入13份Al-Si3N4复合材料2、1.6份硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至60 ℃，匀速搅拌反应10 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到改性Al-Si3N4复合材料2。
（5）制备癸基三乙基溴化铵化合物2：向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂，再依次加入43份溴代正癸烷和20.8份三乙胺，将反应瓶置于油浴锅中，加热至110 ℃，匀速搅拌回流反应70 h，将溶液减压浓缩除去溶剂，使用适量的乙醚溶剂洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到癸基三乙基溴化铵化合物2。
（6）制备高导热导电性的水凝胶复合材料2：向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂，依次加入21份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、0.6份引发剂偶氮二异丁酸二甲酯、改性Al-Si3N4复合材料2和癸基三乙基溴化铵化合物2，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至70 ℃，在28 KHz下进行超声处理3 h，将溶液置于油浴锅中，加热至110，℃，匀速搅拌反应1 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量的乙醇溶剂洗涤和透析固体产物，并充分干燥，制备得到高导热导电性的水凝胶复合材料2。
实施例3
（1）制备F掺杂Si3N4组分3：向行星球磨机中加入乙醇溶剂，Si3N4和AlF3，两者物质的量摩尔比为20:1，球磨机公转转速为100 rpm，自转转速为620 rpm，进行球磨，直至物料全部通过800目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合物置于气氛电阻炉中，升温速率为12 ℃/min，升至1630 ℃，在N2氛围下煅烧2.5 h，在1630 ℃下退火1.5 h，煅烧产物为F掺杂Si3N4组分3。
（2）制备F掺杂Si3N4组分3：向反应瓶中加入适量的乙醇溶剂，再加入羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4组分3和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，三者质量比为68:45:1，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至45 ℃，在25 KHz下进行超声处理2.5 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂、使用适量的蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到Si3N4-碳纳米管复合材料3。
（3）制备Al-Si3N4复合材料3：向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4-碳纳米管复合材料3和Al单质，质量比为1:13，球磨机公转转速为80 rpm，自转转速为635 rpm，进行球磨直至物料全部通过1000目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合产物置于气氛电阻炉中，升温速率为10 ℃/min，升至610 ℃，在N2氛围下煅烧2.5 h，在10 ℃下退火0.5 h，煅烧产物为Al-Si3N4复合材料3。
（4）制备改性Al-Si3N4复合材料3：向反应瓶中加入乙醇溶剂，再加入10份Al-Si3N4复合材料3、1.7份硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至55 ℃，匀速搅拌反应12 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到改性Al-Si3N4复合材料3。
（5）制备癸基三乙基溴化铵化合物3：向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂，再依次加入44份溴代正癸烷和21份三乙胺，将反应瓶置于油浴锅中，加热至115 ℃，匀速搅拌回流反应65 h，将溶液减压浓缩除去溶剂，使用适量的乙醚溶剂洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到癸基三乙基溴化铵化合物3。
（6）制备高导热导电性的水凝胶复合材料3：向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂，依次加入22.5份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、0.8份引发剂偶氮二异丁酸二甲酯、改性Al-Si3N4复合材料3和癸基三乙基溴化铵化合物3，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至75 ℃，在25 KHz下进行超声处理2.5 h，将溶液置于油浴锅中，加热至105，℃，匀速搅拌反应1.5h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量的乙醇溶剂洗涤和透析固体产物，并充分干燥，制备得到高导热导电性的水凝胶复合材料3。
实施例4
（1）制备F掺杂Si3N4组分4：向行星球磨机中加入乙醇溶剂，Si3N4和AlF3，两者物质的量摩尔比为22:1，球磨机公转转速为80 rpm，自转转速为600 rpm，进行球磨，直至物料全部通过600目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合物置于气氛电阻炉中，升温速率为10 ℃/min，升至1650 ℃，在N2氛围下煅烧2 h，在1650 ℃下退火1 h，煅烧产物为F掺杂Si3N4组分4。
（2）制备F掺杂Si3N4组分4：向反应瓶中加入适量的乙醇溶剂，再加入羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4组分4和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，三者质量比为60:40:1，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至40 ℃，在28 KHz下进行超声处理3 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂、使用适量的蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到Si3N4-碳纳米管复合材料4。
（3）制备Al-Si3N4复合材料4：向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4-碳纳米管复合材料4和Al单质，质量比为1:15，球磨机公转转速为100 rpm，自转转速为650 rpm，进行球磨，直至物料全部通过800目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合产物置于气氛电阻炉中，升温速率为10 ℃/min，升至600 ℃，在N2氛围下煅烧3 h，在600 ℃下退火1 h，煅烧产物为Al-Si3N4复合材料4。
（4）制备改性Al-Si3N4复合材料4：向反应瓶中加入乙醇溶剂，再加入8份Al-Si3N4复合材料4、1.8份硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至55 ℃，匀速搅拌反应12 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到改性Al-Si3N4复合材料4。
（5）制备癸基三乙基溴化铵化合物4：向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂，再依次加入45份溴代正癸烷和21.3份三乙胺，将反应瓶置于油浴锅中，加热至120 ℃，匀速搅拌回流反应65 h，将溶液减压浓缩除去溶剂，使用适量的乙醚溶剂洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到癸基三乙基溴化铵化合物4。
（6）制备高导热导电性的水凝胶复合材料4：向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂，依次加入23份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、0.9份引发剂偶氮二异丁酸二甲酯、改性Al-Si3N4复合材料4和癸基三乙基溴化铵化合物4，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至75 ℃，在25 KHz下进行超声处理2.5 h，将溶液置于油浴锅中，加热至105，℃，匀速搅拌反应1.5h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量的乙醇溶剂洗涤和透析固体产物，并充分干燥，制备得到高导热导电性的水凝胶复合材料4。
实施例5
（1）制备F掺杂Si3N4组分5：向行星球磨机中加入乙醇溶剂，Si3N4和AlF3，两者物质的量摩尔比为22:1，球磨机公转转速为110 rpm，自转转速为640 rpm，进行球磨，直至物料全部通过800目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合物置于气氛电阻炉中，升温速率为15 ℃/min，升至1650 ℃，在N2氛围下煅烧3 h，在1650 ℃下退火2 h，煅烧产物为F掺杂Si3N4组分5。
（2）制备F掺杂Si3N4组分5：向反应瓶中加入适量的乙醇溶剂，再加入羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4组分5和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，三者质量比为75:50:1，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至50 ℃，在28 KHz下进行超声处理3 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂、使用适量的蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到Si3N4-碳纳米管复合材料5。
（3）制备Al-Si3N4复合材料5：向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4-碳纳米管复合材料5和Al单质，质量比为1:15，球磨机公转转速为100 rpm，自转转速为650 rpm，进行球磨，直至物料全部通过1000目过滤网，将物料减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，将固体混合产物置于气氛电阻炉中，升温速率为15 ℃/min，升至620 ℃，在N2氛围下煅烧3 h，在620℃下退火1 h，煅烧产物为Al-Si3N4复合材料5。
（4）制备改性Al-Si3N4复合材料5：向反应瓶中加入乙醇溶剂，再加入5份Al-Si3N4复合材料5、2份硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至60 ℃，匀速搅拌反应15 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到改性Al-Si3N4复合材料5。
（5）制备癸基三乙基溴化铵化合物5：向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂，再依次加入46份溴代正癸烷和22份三乙胺，将反应瓶置于油浴锅中，加热至120 ℃，匀速搅拌回流反应70 h，将溶液减压浓缩除去溶剂，使用适量的乙醚溶剂洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到癸基三乙基溴化铵化合物5。
（6）制备高导热导电性的水凝胶复合材料5：向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂，依次加入24份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、1份引发剂偶氮二异丁酸二甲酯、改性Al-Si3N4复合材料5和癸基三乙基溴化铵化合物5，将反应瓶置于超声分散仪中，加热至80 ℃，在28KHz下进行超声处理3 h，将溶液置于油浴锅中，加热至110，℃，匀速搅拌反应2 h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用适量的乙醇溶剂洗涤和透析固体产物，并充分干燥，制备得到高导热导电性的水凝胶复合材料5。
综上所述，该一种高导热导电性的水凝胶复合材料及其制法，使用聚乙二醇二甲基丙烯酸酯与癸基三乙基溴化铵原位自由基聚合形成聚合物，作为水凝胶材料的基体，碳碳双键交联聚合成为永久性的三维网络聚合物化学凝胶，而非通过物理作用力交联的物理凝胶，水凝胶材料具有大量的醚键，可以与水分子形成氢键，并且聚合物分子之间优拥有丰富的孔隙结构，使水凝胶材料具有优异的吸水量，并且在保水和脱水的同时，通过化学键交联的作用可以保持可逆的形变。
癸基三乙基溴化铵中的Br负离子与水分子作用形成氢键，使Br负离子聚集体解离和分散，在水凝胶内部形成电解质，产生大量的自由移动的离子，增强了水凝胶材料的离子导电率，使材料呈现出良好的导电性。
使用Al-Si3N4复合材料作为填料，F掺杂Si3N4，降低了Si3N4的晶格氧含量，使Si3N4形成导热性更好的β-Si3N4晶体，β-Si3N4晶体均匀的负载在碳纳米管表面和层间距之间，碳纳米管与单质Al在高温煅烧下形成微量的Al4C3层，增强了碳纳米管与单质Al的交联度和相容性，从而形成Al-Si3N4复合材料，其具有优异的导热和导电性能，通过硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷使Al-Si3N4复合材料均匀地分散和掺杂与水凝胶相容，不仅增加了水凝胶内部的孔隙结构，同时大幅增强了水凝胶材料的导热性能和导电性能。

Claims (8)

1.一种高导热导电性的水凝胶复合材料，包括以下按重量份数计的配方原料，其特征在于：5-16份Al-Si3N4复合材料、1.5-2份硅烷偶联剂、20-24份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、42-46份溴代正癸烷、20-22份三乙胺、0.5-1份引发剂。
2.根据权利要求1所述的一种高导热导电性的水凝胶复合材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。
3.根据权利要求1所述的一种高导热导电性的水凝胶复合材料，其特征在于：所述引发剂为偶氮二异丁酸二甲酯。
4.根据权利要求1所述的一种高导热导电性的水凝胶复合材料，其特征在于：所述Al-Si3N4复合材料制备方法包括以下步骤：
（1）向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4和AlF3，球磨机公转转速为80-110 rpm，自转转速为600-640 rpm，进行球磨，直至物料全部通过600-800目过滤网，将物料充分干燥，置于气氛电阻炉中，升温速率为10-15 ℃/min，升至1620-1650 ℃，在N2氛围下煅烧2-3 h，在1620-1650 ℃下退火1-2 h，煅烧产物为F掺杂Si3N4；
（2）向乙醇溶剂中加入羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，将溶液在40-50 ℃下，进行超声处理2-3 h，超声频率为20-28 KHz下，将溶液除去溶剂、洗涤固体产物、干燥，制备得到Si3N4-碳纳米管复合材料；
（3）向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Si3N4-碳纳米管复合材料和Al单质，球磨机公转转速为60-100 rpm，自转转速为620-650 rpm，进行球磨，直至物料全部通过800-1000目过滤网，将物料充分干燥，置于气氛电阻炉中，升温速率为10-15 ℃/min，升至600-620 ℃，在N2氛围下煅烧2-3 h，在600-620 ℃下退火0.5-1 h，煅烧产物为Al-Si3N4复合材料。
5.根据权利要求4所述的Al-Si3N4复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的Si3N4和AlF3物质的量摩尔比为18-22:1。
6.根据权利要求4所述的Al-Si3N4复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的羟基化碳纳米管、F掺杂Si3N4和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，三者质量比为60-75:40-50:1。
7.根据权利要求4所述的Al-Si3N4复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的Si3N4-碳纳米管复合材料和Al单质质量比为1:12-15。
8.根据权利要求1所述的一种高导热导电性的水凝胶复合材料，其特征在于：所述高导热导电性的水凝胶复合材料制备方法包括以下步骤：
（1）向乙醇溶剂中加入5-16份Al-Si3N4复合材料、1.5-2份硅烷偶联剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，将溶液加热至50-60 ℃，反应10-15 h，将溶液除去溶剂、洗涤固体产物、干燥，制备得到改性Al-Si3N4复合材料；
（2）向1,4-二氧六环溶剂中加入42-46份溴代正癸烷和20-22份三乙胺，将溶液加热至110-120 ℃，回流反应60-70 h，将溶液除去溶剂、洗涤固体产物、干燥，制备得到癸基三乙基溴化铵；
（3）向N,N-二甲基甲酰胺溶剂中加入20-24份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、0.5-1份引发剂偶氮二异丁酸二甲酯、改性Al-Si3N4复合材料和癸基三乙基溴化铵，将溶液70-80 ℃下，进行超声处理2-3 h，超声频率为22-28 KHz，将溶液加热至100-110，℃，反应1-2 h，将溶液除去溶剂、洗涤和透析固体产物、干燥，制备得到高导热导电性的水凝胶复合材料。
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