CN113429503A - 一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法及其应用，配制乙烯类单体、氯化盐和引发剂过硫酸盐的混合溶液，在常温下磁力搅拌，至完全溶解，得到混合溶液；抽真空除去溶解氧，再通惰性气体保护密封；所述的混合溶液在密封的条件下经过5min～30min，得到水凝胶；所述氯化盐包括氯化钙、氯化镁、氯化钡和氯化锂中的一种。本发明不仅制备方法快速简单，制备得到的聚丙烯酰胺类水凝胶具有凝胶化时间快、抗冻性好、可溶解再生以及有导电性能等优势。

Description

一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法及其应用
技术领域
本发明属于水凝胶制备技术领域，具体涉及一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法及其应用。
背景技术
以聚丙烯酰胺为代表的水凝胶是亲水性的交联高分子网络与被包裹的水构成的一种特殊分散体系，兼具固体和液体的性质。
聚丙烯酰胺类水凝胶网络的交联方式一般为化学交联，而化学交联的水凝胶往往不耐疲劳，虽然在水处理、生物医药、废弃物处理等领域有广泛的应用，但水凝胶中高聚物含量较低，以及链段柔顺，从而无法承受较大的应力，且聚合物网络受到化学交联位点的限制，导致链的活动性降低，由此网络结构特点，导致力学性能较差。不仅如此，这类水凝胶往往还需要光、热或者促进剂，这些外界刺激的情况下才能有效引发水凝胶的自由基聚合。随着研究的发展，凝胶在多个领域的广泛应用使凝胶在快速制备(无需外界刺激)的需求逐渐增加，但传统凝胶无法满足这一要求，因此在许多方面的应用都受到了限制。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述的技术缺陷，提出了本发明。
本发明提供一种一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法,其包括,
配制乙烯类单体、氯化盐和引发剂过硫酸盐的混合溶液，在常温下磁力搅拌，至完全溶解，得到混合溶液；抽真空除去溶解氧，再通惰性气体保护密封；所述的混合溶液在密封的条件下经过5min～30min，得到水凝胶；所述氯化盐包括氯化钙、氯化镁、氯化钡和氯化锂中的一种。
作为本发明所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法的一种优选方案：所述乙烯类单体包括丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和1-乙烯基-2-吡咯烷酮中的一种；所述乙烯类单体，其在所述混合溶液中的质量浓度为16％～32％。
作为本发明所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法的一种优选方案：所述引发剂过硫酸盐，包括过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠中的一种或几种。
作为本发明所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法的一种优选方案：所述氯化盐在所述混合溶液中的质量浓度为18％～35％。
作为本发明所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法的一种优选方案：所述引发剂过硫酸盐，其添加量为所述乙烯类单体质量的0.1～0.5％。
作为本发明所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法的一种优选方案：所述混合溶液，溶剂包括水。
作为本发明所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法的一种优选方案：所述在密封的条件下经过5min～30min，其反应温度为0-40℃。
作为本发明所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法的一种优选方案：所述惰性气体，包括N2。
作为本发明另一个方面，本法提供所述的金属离子辅助催化的水凝胶的应用：所述水凝胶能够作为水处理凝胶、生物医药凝胶。
本发明的有益效果：本发明研究发现，质量浓度大于20％的氯化盐能够在室温下快速催化单体聚合，随着氯化盐质量浓度的提高到30％，凝胶化时间不到15min，并且首次发现并证实，高浓度金属离子能够与弱酰胺键产生离子配位。本发明不仅制备方法快速简单，通过上述方法制备得到的聚丙烯酰胺类水凝胶具有凝胶化时间快、抗冻性好、可溶解再生以及有导电性能等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的催化机理图。
图2为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的催化效果图。
图3为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的实物图。
图4为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶在-40℃条件下的拉伸实物图。
图5为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的拉伸应力-应变曲线。
图6为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的溶解再生性能。
图7为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的导电性能演示。
图8为实施例2制备的聚甲基丙烯酰胺水凝胶的性能对照实验图。
图9为实施例3制备的聚丙烯酰胺水凝胶的性能对照实验图。
图10为实施例4制备的聚丙烯酰胺水凝胶的性能对照实验图。
图11为实施例5制备的聚乙烯吡咯烷酮水凝胶的性能对照实验图。
图12为实施例6聚丙烯酸水凝胶的催化效果图。
图13为实施例7聚丙烯酰胺水凝胶的催化效果图。
图14为实施例8聚丙烯酰胺水凝胶的应力-应变曲线图。
图15为实施例9聚丙烯酰胺水凝胶的应力-应变曲线图。
图16为实施例10聚丙烯酰胺水凝胶的应力-应变曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1：
(1)准确称取2.15g CaCl2、2.15g丙烯酰胺和0.005g过硫酸铵溶于5g去离子水中，常温下磁力搅拌，至完全溶解，得到丙烯酰胺溶液。
(2)在步骤(1)得到的丙烯酰胺溶液，抽真空除去溶解氧，再通N2保护密封。
(3)将步骤(2)所得的溶液在25℃密封的条件下经过10min，得到聚丙烯酰胺水凝胶。
采用本实施例方法丙烯酰胺溶液在常温条件下且不需要外界刺激即可形成水凝胶，凝胶时间5min～30min。通过对前驱体溶液进行ESR分析，得出体系中存在过硫酸根自由基，从而引发自由基聚合反应。图1为实施例1制备出的聚丙烯酰胺水凝胶的催化机理图。图2为实施例1制备出的聚丙烯酰胺水凝胶的实物图。图3为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶在-40℃条件下的拉伸实物图。图4为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的拉伸应力-应变曲线。图5为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的溶解再生性能演示图。图6为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的自愈合性能。图7为实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶的导电性能演示，从图中可知，实施例1制备的聚丙烯酰胺水凝胶透明度高，在-40℃的条件下仍具有较好的断裂伸长率，可以用水溶解后再通过水分蒸发再生形成凝胶，具有较好的溶解再生性能，且在常温下有较好的导电性能。
实施例2(对照例)：
一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法，将实施例1步骤(1)中的2.15g的丙烯酰胺改为1g的甲基丙烯酰胺，2.15g的氯化钙改为1.1g的氯化锂，0.005g过硫酸铵改为0.001g过硫酸钾。将实施例1中步骤(3)中的25℃改为40℃，凝胶化时间为7h左右。其余同实施例1。
采用本实施例方法甲基丙烯酰胺溶液在40℃的条件下可形成水凝胶，凝胶时间为7h左右。图8为实施例2制备的聚甲基丙烯酰胺水凝胶的性能对照实验图。
实施例3(对照例)：
一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法，将实施例1中的步骤(1)中的丙烯酰胺质量改为1g，2.15g的氯化钙改为3.33g的氯化锂，0.005g的过硫酸铵改为0.005g的过硫酸钠。将实施例1中步骤(3)中的25℃改为0℃，凝胶化时间为5min。其余同实施例1。
采用本实施例方法丙烯酰胺溶液在0℃的条件下且不需要外界刺激即可形成水凝胶，凝胶时间为5min左右。然而凝胶几乎没有强度，所以无法测量凝胶的应力-应变曲线。图9为实施例3制备的聚丙烯酰胺水凝胶的性能对照实验图。
实施例4(对照例)：
一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法，将实施例1中的氯化钙改为氯化镁，凝胶化时间为6h左右。其余同实施例1。
采用本实施例方法丙烯酰胺溶液在常温条件下且不需要外界刺激即可形成水凝胶，凝胶时间为6h左右。图10为实施例4制备的聚丙烯酰胺水凝胶的性能对照实验图。
实施例5(对照例)：
一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法，将实施例1中的步骤(1)中的2.15g丙烯酰胺改为2.15g的1-乙烯基-2-吡咯烷酮。其余同实施例1。
采用本实施例方法1-乙烯基-2-吡咯烷酮溶液在常温条件下经过24h后仍不能够凝胶，所以无法测量凝胶的应力-应变曲线和导电性，图11为实施例5聚乙烯吡咯烷酮水凝胶的催化效果图。
实施例6(对照例)：
一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法，将实施例1中的步骤(1)中的2.15g丙烯酰胺改为2.15g丙烯酸。其余同实施例1。
采用本实施例方法丙烯酸溶液在常温条件下经过24h后仍不能够凝胶，所以无法测量凝胶的应力-应变曲线和导电性，图12为实施例6聚丙烯酸水凝胶的催化效果图。
实施例7(对照例)：
一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法，将实施例1中的步骤(1)中的2.15g氯化钙改为2.15g氯化钡。其余同实施例1。
采用本实施例方法丙烯酰胺溶液在常温条件下经过6h后凝胶，然而凝胶几乎没有强度，所以无法测量凝胶的应力-应变曲线和导电性，图13为实施例7聚丙烯酰胺水凝胶的催化效果图。
实施例8(对照例)：
(1)准确称取2.15g丙烯酰胺和0.005g过硫酸铵溶于5g去离子水中，常温下磁力搅拌，至完全溶解，得到丙烯酰胺前驱体溶液。
(2)在步骤(1)得到的丙烯酰胺溶液，抽真空除去溶解氧，再通N2保护密封。
(3)将步骤(2)所得的溶液置于60℃密封的条件下，经过1h后得到聚丙烯酰胺水凝胶。
采用本实施例方法丙烯酰胺溶液在60℃下经过1h后凝胶，图14为实施例8聚丙烯酰胺水凝胶的应力-应变曲线图。
实施例9(对照例)：
(1)准确称取1g丙烯酰胺、0.005g过硫酸铵和0.0007gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于5g去离子水中，常温下磁力搅拌，至完全溶解，得到丙烯酰胺前驱体溶液。
(2)在步骤(1)得到的丙烯酰胺溶液，抽真空除去溶解氧，再通N2保护密封。
(3)将步骤(2)所得的溶液置于60℃密封的条件下，经过1h后得到聚丙烯酰胺水凝胶。
采用本实施例方法丙烯酰胺溶液在60℃下经过1h后凝胶，图15为实施例9聚丙烯酰胺水凝胶的应力-应变曲线图。
实施例10：
(1)准确称取1g丙烯酰胺、0.005g过硫酸铵和2.15g氯化钙溶于5g去离子水中，常温下磁力搅拌，至完全溶解，得到丙烯酰胺前驱体溶液。
(2)在步骤(1)得到的丙烯酰胺溶液，抽真空除去溶解氧，再通N2保护密封。
(3)将步骤(2)所得的溶液在25℃密封的条件下经过30min，得到聚丙烯酰胺水凝胶。
采用本实施例方法丙烯酰胺溶液在25℃下经过30min后凝胶，图16为实施例10聚丙烯酰胺水凝胶的应力-应变曲线图。
本发明研究发现，将高浓度氯化钙、丙烯酰胺和过硫酸铵溶于水中形成均一的溶液，在室温条件下无需其他外界刺激，丙烯酰胺凝胶化时间为5min～30min。本发明不仅制备方法快速简单，通过上述方法制备得到的聚丙烯酰胺凝胶具有凝胶化时间快、抗冻性好、溶解再生以及有导电性能等优势。采用本发明提供的方法制备得到的聚丙烯酰胺水凝胶在-40℃下仍具有较好的机械性能。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种金属离子辅助催化的水凝胶制备方法,其特征在于：包括,
配制乙烯类单体、氯化盐和引发剂过硫酸盐的混合溶液，在常温下磁力搅拌，至完全溶解，得到混合溶液；抽真空除去溶解氧，再通惰性气体保护密封；所述的混合溶液在密封的条件下经过5min～30min，得到水凝胶；所述氯化盐包括氯化钙、氯化镁、氯化钡和氯化锂中的一种。
2.根据权利要求1所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法,其特征在于：所述乙烯类单体包括丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸和1-乙烯基-2-吡咯烷酮中的一种；所述乙烯类单体，其在所述混合溶液中的质量浓度为16％～32％。
3.根据权利要求1或2所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法,其特征在于：所述引发剂过硫酸盐，包括过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠中的一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法,其特征在于：所述氯化盐在所述混合溶液中的质量浓度为18％～35％。
5.根据权利要求1或2所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法,其特征在于：所述引发剂过硫酸盐，其添加量为所述乙烯类单体质量的0.1～0.5％。
6.根据权利要求1或2所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法,其特征在于：所述混合溶液，溶剂包括水。
7.根据权利要求1或2所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法,其特征在于：所述在密封的条件下经过5min～30min，其反应温度为0-40℃。
8.根据权利要求1或2所述的金属离子辅助催化的水凝胶制备方法,其特征在于：所述惰性气体，包括N2。
9.权利要求1或2所述的金属离子辅助催化的水凝胶的应用,其特征在于：所述水凝胶能够作为水处理凝胶、生物医药凝胶。
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