CN112898597B

CN112898597B - 离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶及其制备方法

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Publication number: CN112898597B
Application number: CN202110086729.5A
Authority: CN
Inventors: 黄以万; 肖龙亚; 李学锋; 周菊; 刘涛
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2041-01-22
Also published as: CN112898597A

Abstract

本发明涉及一种离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶及其制备方法。首先将阴离子单体、阳离子单体、交联剂、引发剂在去离子水中充分搅拌得到均匀的混合溶液，在室温下引发聚合得到预成型PA凝胶，将其浸泡在金属离子水溶液，然后在去离子水中进行透析除去多余金属离子，使磺酸基与氨基形成离子键，金属离子与磺酸基形成金属配位键，实现离子键与配位键协同增强水凝胶；该水凝胶材料具有良好的导电性、高灵敏应变信号传输性能。本发明的制备过程不仅操作简便，并且产品性能优异，同时可用于可穿戴电子设备、传感技术、软体机器人等领域。

Description

离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶的制备方法。

背景技术

聚合物水凝胶通常被认为是软湿材料，在组织工程和电子设备等领域表现出广泛的潜力。然而，传统水凝胶的力学缺陷严重阻碍了其实际应用，主要是由于网络结构不均匀或缺乏有效的能量耗散机制。针对这一问题，最近开发了几种类型的强韧性水凝胶。其中，双网络(Double-Network，DN)策略是一种非常有效的水凝胶强韧化的方法，其中提出的牺牲键机制可以显著耗散能量。利用“牺牲键”原理，Gong等采用阴、阳离子单体经自由基聚合制备了聚两性电解质(Polyampholyte，PA)水凝胶，凝胶网络中大量的带异种电荷的离子基团的静电相互作用(简称“离子键”)作为牺牲键，成功实现了PA水凝胶的强韧化。PA水凝胶的动态离子网络同时也赋予了其良好的自回复(self-recovery)和自愈合(self-healing)性能。此外，PA水凝胶具有优异电化学性能，在柔性电子领域展现出良好的应用潜力，然而单一的PA水凝胶力学性能较弱，并且由于PA水凝胶的特殊结构，采用多交联网络协同增强方式在PA水凝胶网络的基础上再引入化学交联键或物理交联键可能存在影响其电化学性能甚至力学性能不强反弱的问题，因此，设计多种强韧化机制进一步提高水凝胶的力学性能同时不影响PA水凝胶的电化学性能非常有必要，却充满挑战。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、操作易控、原料易得、成本较低、周期较短的PA水凝胶增强方法，最终得到的聚两性电解质水凝胶具有良好力学强度，同时具有优异的导电性、高灵敏应变信号传输性能。

技术方案的具体步骤如下：

一种离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶的制备方法，步骤如下：

1)将阴离子单体、阳离子单体、交联剂、引发剂混合溶解于去离子水中；

2)将步骤1)得到的混合溶液注入模具中，并引发两单体的聚合反应，得到柔性的预成型PA凝胶；

3)将步骤2)得到的预成型凝胶浸泡在含金属离子的水溶液中，得到过饱和凝胶；

4)将步骤3)得到的过饱和凝胶置于去离子水中浸泡，得到金属离子交联的聚两性电解质高强度水凝胶

优选地，步骤1)中阴离子单体为对苯乙烯磺酸钠(NaSS)；阳离子单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(MATAC)，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMAEA-Q)，N,N,N-三甲基-3-(2-甲基烯丙酰氨基)-1-氯化丙铵(MPTC)，N,N,N-三甲基-3-(2-烯丙酰氨基)-1-氯化丙铵(DMAPAA-Q)中的任一种。

优选地，步骤1)中，阴离子单体摩尔量与阴阳离子单体的总摩尔量之比为(0.48-0.52)：1；所得混合溶液中单体总摩尔浓度为2.1～2.7mol/L；交联剂与引发剂均占单体总摩尔量的0.1％-1％；溶解温度为60-80℃。

优选地，步骤1)中，所得混合溶液中单体总摩尔浓度为2.5mol/L；交联剂与引发剂均占单体总摩尔量的0.1％。

优选地，步骤3)所述金属离子任选自Fe³⁺、Na⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Al³⁺，更有优选Fe³⁺；将凝胶浸泡在金属离子水溶液中之前，先将步骤2)得到的预成型凝胶进行去离子水浸泡或者透析，时间为1～7天，每12小时换水一次。

优选地，步骤1)中，交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂为α-酮戊二酸；步骤2)在室温下采用紫外光引发聚合反应，反应时间10～12小时。

优选地，步骤3)中，金属离子水溶液中金属离子含量为0.1～2.0mol/L，浸泡时长为24～72小时。金属离子充当物理交联剂，极大的提高了水凝胶的机械性能，然而金属盐溶液的浓度过高会由于渗透压作用使得凝胶失水变硬，金属离子无法进入凝胶基体中与-SO₃ ^-形成配位作用，过少则会使离子交联密度较低，力学性能增强不明显。

优选地，步骤4)中，浸泡去离子水的方式为将水凝胶置于去离子水中浸泡3～10天，每12小时换水一次。

本发明的另一目的是提供一种离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶，由上述的制备方法得到。

本发明的另一目的是提供上述的离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶的应用，所述水凝胶含电解质离子具有导电性，在形变过程中可调节离子分布改变电阻，可通过检测水凝胶在不同应变条件下的电阻变化，使其用作应变传感器、可穿戴电子设备或者人体健康监测设备。

本发明通过在聚两性电解质凝胶中引入多价金属阳离子得到具有良好的导电性、高灵敏应变信号传输性能的离子键与配位键协同增韧聚两性电解质高强度水凝胶。在制备的过程中，阴阳阳离子单体相互作用形成离子键，形成了预成型凝胶材料，通过浸泡金属离子溶液，再进行二次平衡使聚合物中的-SO₃ ^-在金属离子作用下形成配位键，实现物理交联，在外界应力作用下，该水凝胶可动态地打开物理交联点以耗散能量，从而显著提高水凝胶的机械性能，同时物理交联在很短的时间内又能重新形成，从而使该水凝胶表现出优异的耐疲劳性能。离子键与配位键协同增韧聚两性电解质具有良好的导电性、高灵敏应变信号传输性能，并具有产品结构均匀，一锅加料，一次聚合反应，自由成型，高强度、高韧性等优点。这将成为一种离子键与配位键协同增韧高强度、高韧性水凝胶材料的普遍方法。

此外，本发明制备的离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶，含电解质离子具有导电性，在形变过程中可调节离子分布改变电阻。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和显著进步：

1)本发明制备工艺极其简单，生产周期短、工艺条件简便，生产成本低、原料易得。

2)本发明方法中，采用两种不同形式的物理键来交联聚合物，不仅保证了水凝胶高含水的特性，避免了共混聚合物的引入带来的分子链之间的干扰，使形成的水凝胶具有高强度、高模量及高韧性，同时展现出良好的导电性、高灵敏应变信号传输性能。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明离子键与配位键协同增韧聚两性电解质水凝胶的合成机理，其中a为铁离子交联PA凝胶的制备过程、b为实验选取的单体与金属离子、c为离子键和配位键的结合方式；

图2为本发明离子键与配位键协同增韧聚两性电解质水凝胶的力学性能测试结果，其中a为铁离子浓度从0-2mol/L对应铁离子交联PA凝胶的应力应变曲线、b为铁离子浓度从0-2mol/L对应铁离子交联PA凝胶的杨氏模量、c为铁离子浓度从0-2mol/L对应铁离子交联PA凝胶的拉伸强度、d为铁离子浓度从0-2mol/L对应铁离子交联PA凝胶的拉伸功；

图3为本发明实施例3所得离子键与配位键协同增韧聚两性电解质水凝胶的导电性与电阻敏感性图片，图中a为水凝胶点亮小灯泡实物图；b为水凝胶不同拉伸应变下相对电阻的变化；c-e为水凝胶适用于人体不同部位应变传感器在不同弯曲条件下的相对电阻变化。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将进一步阐述本发明的具体实施例。

本发明采用“二次平衡法”，在PA水凝胶中同时引入离子键和金属配位键，协同增强增韧水凝胶网络。我们的主要方法为：第一步，将刚制备好的PA水凝胶完全浸泡在一定浓度的金属离子溶液中，直至交换透析达到溶胀平衡状态；第二步，将上述溶胀平衡状态的PA水凝胶再完全浸泡在去离子水中，直至PA水凝胶重新达到新的平衡状态。在第二步透析过程中过量的金属离子从凝胶网络中透析出去，最终在网络中离子键和金属配位键同时存在，达到协同强韧化的目的，进一步提高了PA水凝胶的力学性能。

实施例1

1)室温下称取2.6062g的NaSS、2.9055g的DMAEA-Q、0.0039g的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.0037g的α-酮戊二酸置于烧杯中，加入5ml去离子水配制成混合溶液；NaSS浓度为1.22mol/L，DMAEA-Q浓度为1.28mol/L，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.0025mol/L，α-酮戊二酸浓度为0.0025mol/L；

2)将步骤1)中的混合溶液在60℃的水浴下混合后搅拌均匀10分钟；

3)将步骤2)中得到的NaSS与DMAEA-Q混合溶液注入玻璃模具中，置于室温环境下，反应12小时，通过紫外光引发聚合反应使NaSS，DMAEA-Q聚合成为二元共聚物，通过离子键交联得到柔性的预成型凝胶；

4)将步骤3)得到的预成型凝胶浸泡在去离子水中，由水脱去水凝胶中残存的未反应的单体、交联剂以及引发剂，同时除去钠离子与氯离子，得到离子交联的聚两性电解质水凝胶；

5)称取4.86g无水氯化铁，加入100ml去离子水，浓度为0.3mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化铁的水溶液中48小时，使预成型凝胶在三价铁离子溶液中破坏离子配位交联，得到一定强度的过饱和凝胶；

6)将步骤5)得到的过饱和凝胶浸泡到去离子水溶液中7天，且每12小时换水一次；由水脱去过量的铁离子与氯离子，得到离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为1.30MPa，断裂伸长率为877.1％，拉伸模量0.21MPa，拉伸功4.72MJ/m³。

实施例2

1)～4)制备步骤与实施例1相同；

5)称取8.1g无水氯化铁，加入100ml去离子水，浓度为0.5mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化铁的水溶液中48小时，使预成型凝胶在三价铁离子溶液中离子配位交联，得到一定强度的过饱和凝胶；

6)过程同实施例1。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为1.49MPa，断裂伸长率为809.3％，拉伸模量0.25MPa，拉伸功5.39MJ/m³。

实施例3

1)～4)，同实施例1。

5)称取11.34g无水氯化铁，加入100ml去离子水，浓度为0.7mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化铁的水溶液中48小时，使预成型凝胶在三价铁离子溶液中离子配位交联，得到一定强度的过饱和凝胶；

6)同实施例1。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为1.94MPa，断裂伸长率为750.6％，拉伸模量0.33MPa，拉伸功8.24MJ/m³。

实施例4

1)～4)同实施例1。

5)称取16.2g无水氯化铁，加入100ml去离子水，浓度为1.0mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化铁的水溶液中48小时，使预成型凝胶在三价铁离子溶液中离子配位交联，得到一定强度的过饱和凝胶；

6)同实施例1。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为1.92MPa，断裂伸长率为670.2％，拉伸模量0.35MPa，拉伸功5.72MJ/m³。

实施例5

1)～4)同实施例1。

5)称取32.4g无水氯化铁，加入100ml去离子水，浓度为2.0mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化铁的水溶液中48小时，使预成型凝胶在三价铁离子溶液中离子配位交联，得到一定强度的过饱和凝胶；

6)同实施例1。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为1.90MPa，断裂伸长率为617.1％，拉伸模量0.36MPa，拉伸功6.18MJ/m³。

实施例6

1)室温下称取2.6062g的NaSS、5.2978g的MPTC、0.0039g的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.0037g的α-酮戊二酸置于烧杯中，加入5ml去离子水配制成混合溶液；NaSS浓度为1.22mol/L，N,N,N-三甲基-3-(2-甲基烯丙酰氨基)-1-氯化丙铵浓度为1.28mol/L，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.0025mol/L，α-酮戊二酸浓度为0.0025mol/L；

3)将步骤2)中得到的NaSS与N,N,N-三甲基-3-(2-甲基烯丙酰氨基)-1-氯化丙铵混合溶液注入玻璃模具中，置于室温环境下，反应12小时，通过紫外光引发聚合反应使NaSS，N,N,N-三甲基-3-(2-甲基烯丙酰氨基)-1-氯化丙铵聚合成为二元共聚物，通过离子键交联得到柔性的预成型凝胶；

5)称取0.81g无水氯化铁，加入100ml去离子水，浓度为0.7mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化铁的水溶液中48小时，使聚两性电解质水凝胶在铁离子溶液中破坏离子键，得到一定强度的过饱和凝胶；

6)将步骤5)得到的过饱和凝胶浸泡到去离子水溶液中7天，且每12小时换水一次；由水脱去水凝胶中残存的未反应的单体、交联剂以及引发剂，同时除去过量的铁离子与氯离子，得到铁离子交联聚两性电解质水凝胶。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为4.21MPa，断裂伸长率为460％，拉伸模量12.7MPa，拉伸功10.5MJ/m³。

对比例1

制备过程同实施例1，不同之处在于，无步骤5)和6)。

实验测得本实施例所得的离子交联水凝胶材料的拉伸强度为0.65MPa，断裂伸长率为846.6％，拉伸模量0.12MPa，拉伸功1.75MJ/m³。

对比例2

1)～4)同实施例1。

5)称取4.1g无水氯化钠，加入100ml去离子水，浓度为0.7mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化钠的水溶液中48小时，使聚两性电解质水凝胶在钠离子溶液中破坏离子键，得到一定强度的过饱和凝胶。

6)同实施例1。

实验测得本实施例所得的离子键交联水凝胶材料的拉伸强度为0.53MPa，断裂伸长率为930.1％，拉伸模量0.11MPa，拉伸功2.09MJ/m³。

对比例3

1)～4)同实施例1。

5)称取7.78g无水氯化钙，加入100ml去离子水，浓度为0.7mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化钙的水溶液中48小时，使聚两性电解质水凝胶在钙离子溶液中破坏离子键，得到一定强度的过饱和凝胶；

6)将步骤5)得到的过饱和凝胶浸泡到去离子水溶液中7天，且每12小时换水一次；由水脱去水凝胶中残存的未反应的单体、交联剂以及引发剂，同时除去过量的钙离子与氯离子，得到钙离子交联聚两性电解质水凝胶。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为0.88MPa，断裂伸长率为701.2％，拉伸模量0.17MPa，拉伸功2.08MJ/m³。

对比例4

1)～4)同实施例1。

5)称取9.54g无水氯化锌，加入100ml去离子水，浓度为0.7mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化锌的水溶液中48小时，使聚两性电解质水凝胶在锌离子溶液中破坏离子键，得到一定强度的过饱和凝胶；

6)将步骤5)得到的过饱和凝胶浸泡到去离子水溶液中7天，且每12小时换水一次；由水脱去水凝胶中残存的未反应的单体、交联剂以及引发剂，同时除去过量的锌离子与氯离子，得到锌离子交联聚两性电解质水凝胶。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为1.08MPa，断裂伸长率为821.3％，拉伸模量0.16MPa，拉伸功3.08MJ/m³。

对比例5

1)～4)同实施例1。

5)称取9.33g无水氯化铝，加入100ml去离子水，浓度为0.7mol/L，将步骤4)得到的聚两性电解质水凝胶浸泡在无水氯化铝的水溶液中48小时，使聚两性电解质水凝胶在铝离子溶液中破坏离子键，得到一定强度的过饱和凝胶；

6)将步骤5)得到的过饱和凝胶浸泡到去离子水溶液中7天，且每12小时换水一次；由水脱去水凝胶中残存的未反应的单体、交联剂以及引发剂，同时除去过量的铝离子与氯离子，得到铝离子交联聚两性电解质水凝胶。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为1.07MPa，断裂伸长率为819.4％，拉伸模量0.18MPa，拉伸功3.02MJ/m³。

对比例6

1)～4)，同实施例1。

实验测得本实施例所得的离子与配位键交联水凝胶材料的拉伸强度为0.02MPa，断裂伸长率为210％，拉伸模量0.01MPa，拉伸功0.02MJ/m³。

表1：水凝胶样品的拉伸强度与断裂伸长率

导电性测试：

测试1，本发明实施例3制备的含铁离子和氯离子聚两性电解质高强度水凝胶，进行点亮小灯泡实验，具体步骤如下：

1)将实施例3制备的铁离子含量为0.7mol/L的高强度水凝胶用样刀切割取小样，测定其尺寸为30mm×5.0mm×1mm，在外电路电压为12V条件下进行点亮小灯泡实验，结果如图3a所示，可知铁离子交联聚两性电解质水凝胶具有导电性。

测试2，本发明实施例3制备的含铁离子和氯离子聚两性电解质高强度水凝胶，进行不同拉伸应变下相对电阻的变化实验，具体步骤如下：

1)将实施例3制备的铁离子含量为0.7mol/L的高强度水凝胶用样刀切割取小样，测定其尺寸为30mm×5.0mm×1mm；

2)将凝胶夹在万能实验拉伸机上，两端接上电化学工作站，检测应变从0-700％过程中电阻的变化。结果如图3b所示，可知铁离子交联聚两性电解质水凝胶具有良好的应变响应性。

测试3本发明实施例3制备的含铁离子和氯离子聚两性电解质高强度水凝胶，进行用于人体不同部位的应变传感器在不同弯曲条件下的相对电阻变化，具体步骤如下：

2)将凝胶夹在手指、手腕、手肘上，两端接上电化学工作站，检测人体关节运动过程中电阻的变化。结果如图3c、3d、3e所示，可知铁离子交联聚两性电解质水凝胶可作为应变传感器应用。

实施例1～5制备的离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶是改变了Fe³⁺浓度，对比例1是制备了聚两性电解质水凝胶。表1是实施例以及对比例所得水凝胶的力学性能对比。从表1中实施例1-5和对比例1所得水凝胶的力学性能可以看出，随着Fe³⁺摩尔浓度的增加，水凝胶的拉伸强度从0.65MPa增加到1.94MPa，这是因为Fe³⁺摩尔浓度增加，主链分子的-SO₃ ^-与Fe³⁺之间形成的金属配位作用增强，从而导致凝胶力学性能增强。分子链缠结密度变大，但是过大的密度会降低断裂伸长率。从表1中实施例3与对比例2-5所得水凝胶的力学性能可以看出金属离子与PA的-SO₃ ^-基团间配位键强度的不同带来水凝胶力学性能的明显区别。与电荷相同、半径相似的Al³⁺(8e-构型)相比，Fe³⁺离子(18e-构型)往往具有一定的共价性质，所以Fe³⁺离子与-SO₃ ^-基团之间的配位键比Al³⁺更稳定。Zn²⁺和Ca²⁺离子的半径分别为0.74和

略大于Fe³⁺离子。另外，Zn²⁺和Ca²⁺离子的电荷要小于Fe³⁺离子。Zn²⁺和Ca²⁺增强的凝胶力学性能相对较弱，说明配位键的强度受到金属离子电荷数的严重影响。

根据导电性测试可知，离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶具有良好的导电性。这表明了电解质离子的加入给水凝胶提供了自由离子使水凝胶具有导电性，拓展了水凝胶的功能性。不同拉伸应变下相对电阻的变化实验有三段曲线，应变0-50％对应GF值为0.8，应变50-300％对应GF值为1.24，应变300-700％对应GF值为2.43，表明离子键与配位键协同增韧聚两性电解质高强度水凝胶含电解质离子，在形变过程中可调节离子分布改变电阻，具有高灵敏应变信号传输性能。人体不同部位的应变传感器在不同弯曲条件下的相对电阻变化实验将凝胶夹在手指、手腕、手肘上，两端接上电化学工作站，检测人体关节运动过程中电阻的变化，证明凝胶在应变传感器，可穿戴电子设备，人体健康监测等领域的潜在应用。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶的应用，其特征在于，通过检测水凝胶在不同应变条件下的电阻变化，使其用作应变传感器、可穿戴电子设备或者人体健康监测设备，所述水凝胶的制备方法步骤如下：

1）将阴离子单体、阳离子单体、交联剂、引发剂混合溶解于去离子水中；所述阴离子单体为对苯乙烯磺酸钠（NaSS）；阳离子单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（MATAC），丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMAEA-Q），N,N,N-三甲基-3-(2-甲基烯丙酰氨基)-1-氯化丙铵（MPTC），N,N,N-三甲基-3-(2-烯丙酰氨基)-1-氯化丙铵（DMAPAA-Q）中的任一种；

2）将步骤1）得到的混合溶液注入模具中，并引发两单体的聚合反应，得到柔性的预成型PA凝胶；

3）将步骤2）得到的预成型凝胶浸泡在含金属离子的水溶液中，得到过饱和凝胶；所述金属离子为Fe³⁺；

4）将步骤3）得到的过饱和凝胶置于去离子水中浸泡，得到金属离子交联的聚两性电解质高强度水凝胶。

2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤1）中，阴离子单体摩尔量与阴阳离子单体的总摩尔量之比为（0.48-0.52）：1；所得混合溶液中单体总摩尔浓度为2.1~2.7 mol/L；交联剂与引发剂均占单体总摩尔量的0.1%-1% ；溶解温度为60-80℃。

3.如权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤1）中，所得混合溶液中单体总摩尔浓度为2.5 mol/L；交联剂与引发剂均占单体总摩尔量的0.1%。

4.如权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤3）将凝胶浸泡在金属离子水溶液中之前，先将步骤2）得到的预成型凝胶进行去离子水浸泡或者透析，时间为1~7天，每12小时换水一次。

5.如权利要求1所述应用，其特征在于，步骤1）中，交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂为α-酮戊二酸；步骤2）在室温下采用紫外光引发聚合反应，反应时间10~12小时。

6.如权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤3）中，金属离子水溶液中金属离子含量为0.1~2.0 mol/L，浸泡时长为24~72小时。

7.如权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤4）中，浸泡去离子水的方式为将水凝胶置于去离子水中浸泡3~10天，每12小时换水一次。