CN112279947A - 一种利用过渡金属和维生素c双催化体系合成的凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法,包括以下步骤:a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀,得到溶液A;所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物;b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合,反应,得到凝胶。本发明提供的方法通过过渡金属盐和维生素C的双催化体系引发丙烯酸单体的快速聚合,同时采用甜菜碱和醇类化合物组成的低共熔溶剂,使得凝胶在极端温度(低温和高温)条件下良好的导电性。实验结果表明:DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm‑1至1.3Sm‑1。
Description
技术领域
本发明属于凝胶技术领域,尤其涉及一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法。
背景技术
由于可拉伸和导电水凝胶在组织工程,传感和可穿戴电子产品中的应用,得到了快速发展。但是,由于水的凝固和蒸发,大多数水凝胶无法在低温或高温下工作,传统的改进策略涉及使用化学交联剂和有毒的有机溶剂,在紫外线或高温条件下进行聚合,这既复杂又费时,限制了水凝胶的大规模应用。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法,该方法制备的凝胶能在极端温度下具有良好的导电性。
本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法,包括以下步骤:
a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀,得到溶液A;所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物;
b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合,反应,得到凝胶。
优选地,所述步骤a)中低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C的质量比为9.6~9.8:0.28~0.32:0.01。
优选地,所述步骤b)中反应的温度为0~30℃,时间为1~3min。
优选地,所述步骤a)中过渡金属盐选自氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化锌、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。
优选地,所述步骤a)中醇类化合物选自乙二醇和/或甘油。
优选地,所述步骤a)中甜菜碱和醇类化合物的摩尔比为1:2.5~3.5。
优选地,所述步骤b)中丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比为2.7mL:(0.038~0.042)g:(1~2)g:(0.25~2)mL:(5~6)g。
本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶,由上述技术方案所述制备方法制得。
本发明提供的方法通过过渡金属盐和维生素C的双催化体系引发丙烯酸单体的快速聚合,同时采用甜菜碱和醇类化合物组成的低共熔溶剂,使得凝胶在极端温度(低温和高温)条件下良好的导电性。实验结果表明:DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm-1至1.3S m-1。
附图说明
图1为本发明实施例1制备凝胶过程的机理图;
图2为本发明实施例1制备得到的凝胶在不同温度下的电导率图;
图3为本发明实施例1制备凝胶在传感方面的应用图。
具体实施方式
本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法,包括以下步骤:
a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀,得到溶液A;所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物;
b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合,反应,得到凝胶。
本发明将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀,得到溶液A;所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物。
在本发明中,所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物;所述醇类化合物优选选自乙二醇和/或甘油。所述甜菜碱和醇类化合物的摩尔比优选为1:2.5~3.5,更优选为1:3。
所述低共熔溶剂按照以下方法制得:
将甜菜碱和醇类化合物混合后在连续搅拌并加热的条件下,形成透明溶液,得到低共熔溶剂。
所述醇类化合物选自乙二醇和/或甘油。所述甜菜碱和醇类化合物混合的温度优选为58~63℃,更优选为60℃;搅拌时间优选至形成透明溶液,优选为10~20min。
在本发明中,所述步骤a)中低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C(VC)的质量比优选为9.6~9.8:0.28~0.32:0.01,更优选为9.7:0.3:0.01。
所述步骤a)中过渡金属盐选自氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化锌、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。
得到溶液A后,本发明将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合,反应,得到凝胶。
所述引发剂优选为过硫酸铵。
所述步骤b)中丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比优选为2.7mL:(0.038~0.042)g:(1~2)g:(0.25~2)mL:(5~6)g,更优选为2.7mL:0.04g:(1~2)g:(0.25~2)mL:(5~6)g;具体实施例中,所述丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比为2.7mL:0.04g:1g:0.25mL:6g;或2.7mL:0.04g:1.5g:0.25mL:5.5g;或2.7mL:0.04g:2.0g:0.25mL:5g;或2.7mL:0.04g:2g:0.25mL:5g;或2.7mL:0.04g:1.0g:1mL:6g;或2.7mL:0.04g:1.0g:2mL:6g。
在本发明中,丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合后反应的温度为0~30℃,时间为1~3min。本发明优选在冰浴条件下进行反应,得到凝胶。
在本发明中,不同的过渡金属盐,例如CoCl2,NiCl2,ZnCl2和不同的DES,例如甜菜碱和甘油,也会形成DES凝胶。在加入过硫酸铵后,在DES中均匀分散的丙烯酸将在1分钟内聚合并通过金属离子交联,其余离子均匀分散在凝胶中,提供导电的离子。
为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
1)DES的制备:通过将甜菜碱和乙二醇以1:3的摩尔比简单混合,并在连续搅拌下于60℃加热混合物直至形成透明溶液,然后将其储存在干燥器备用。
(2)凝胶的制备:首先,向9.7g DES中添加0.3g FeCl3和0.01g VC形成均匀溶液,并将其储存备用(溶液A);然后将0.04g过硫酸铵溶解在不同体积的水中,并将其储存备用(溶液B);最后,在冰浴中搅拌下将丙烯酸、溶液A和溶液B加入到DES中,搅拌后,单体聚合成凝胶。
为方便表述,将DES凝胶命名为Gel-xFe3+/yH2O,其中x和y分别代表Fe3+和H2O的质量分数。以Gel-0.3Fe3+/2.5H2O和Gel-0.3Fe3+/9.3H2O为例,分别将0.04g过硫酸铵溶解于0.25ml和1ml H2O后(溶液B),在冰浴中搅拌下将2.7ml丙烯酸和1g溶液A,6g DES,溶液B混合,即可制备Gel-0.3Fe3+/2.5H2O和Gel-0.3Fe3+/9.3H2O。
表1中列出了详细信息:
表1 DES凝胶中不同成分的含量
图1为实施例1制备凝胶过程的机理,以氯化铁为例,维生素C和Fe3+会发生氧化还原反应,产生醌基自由基和Fe2+,它将引发过硫酸铵的分解以连续产生自由基,然后触发丙烯酸的聚合。
实施例2
本实施例测试实施例1制备的凝胶在不同温度下的导电率,如图2所示,DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm-1至1.3S m-1。测试结果曲线图表明随着温度的升高,导电率显著提高。水含量和铁含量越多,凝胶的导电率越大。
实施例3
本实施例测试实施例1制备的凝胶在传感方面的应用,如图3所示,将凝胶附着在手指上后,随着手指的弯曲及伸展,电流也会随之发生相应的变化。
由以上实施例可知,本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法,包括以下步骤:a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀,得到溶液A;所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物;b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合,反应,得到凝胶。本发明提供的方法通过过渡金属盐和维生素C的双催化体系引发丙烯酸单体的快速聚合,同时采用甜菜碱和醇类化合物组成的低共熔溶剂,使得凝胶在极端温度(低温和高温)条件下良好的导电性。实验结果表明:DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm-1至1.3S m-1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法,包括以下步骤:
a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀,得到溶液A;所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物;
b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合,反应,得到凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤a)中低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C的质量比为9.6~9.8:0.28~0.32:0.01。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤b)中反应的温度为0~30℃,时间为1~3min。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤a)中过渡金属盐选自氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化锌、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤a)中醇类化合物选自乙二醇和/或甘油。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤a)中甜菜碱和醇类化合物的摩尔比为1:2.5~3.5。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤b)中丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比为2.7mL:(0.038~0.042)g:(1~2)g:(0.25~2)mL:(5~6)g。
8.一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶,由权利要求1~7任一项所述制备方法制得。
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