CN114031819B - 水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水凝胶及其制备方法和应用，其中水凝胶pH为中性，按质量份数计，包括2～5份吸水树脂，1～2份触变增稠剂，0.1～0.5份柠檬酸，0.1～0.5份防腐剂及92～96.8份溶剂，溶剂包括水，本发明通过向吸水树脂溶液中加入触变增稠剂和柠檬酸，并使得水凝胶的pH保持为中性，可使得水凝胶的水含量达92％以上，无溢流，因此能保持高比热和高气化热，具有良好的隔热功能。

Description

水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电子产品的安全防护领域，特别是涉及一种水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
随着5G时代的来临，消费类电子产品的功耗越来越大，随之产热相应的也越来越多。从电子产品的稳定性，安全性以及使用寿命等角度出发，高功耗电子产品必须进行相应的导热散热处理。为了避免温度对产品中的某些重要元件产生干扰或者对使用者造成伤害，在热设计上，通常会用到定向导热散热设计，其中隔热材料扮演着重要的角色。当一个电子产品的元件被一种隔热材料包围时，遇到周边高温时被保护的元件温度也会被保持在该隔热材料的沸点以下的温度，因此在我们选择隔热材料时，隔热材料的沸点决定了我们要保护的最高温度，而比热容和汽化热决定了它的吸热效果。低沸点的隔热材料通常是液态，由于其流动性是很难广泛应用在电子产品的安全防护中。
水凝胶是一种以水为分散介质且由含亲水性基团的线性高分子交联构成的具有三维网络结构的高分子聚合物。由于大分子主链上含有的亲水性基团与水结合，能将水分子包含在网状结构内部，水凝胶能够吸收大量的水且保持一定的形状，遇水溶胀不溶解，因此水凝胶独特的形态稳定性可让它稳定的与被保护的电子产品元件共存时不受机器颠簸造成液体外溢，而且还可以使得水不容易挥发完以能长时间保持隔热功能，因此水凝胶常用作隔热材料应用在电子产品的安全防护中。但是随着水含量的提高，分子间氢键作用力减弱，亲水性基团与水的结合能力就变弱，进而影响水凝胶的保水功能，因此现有技术的水凝胶的水含量都不高，即现有技术的水凝胶因无法保持高比热和高气化热而无法对隔热要求更高的电子产品的元件进行安全防护。
因此，亟需一种用于电子产品的水凝胶及其制备方法，以解决现有技术问题的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种水凝胶，该水凝胶的水含量可达92％以上，无溢流，因此能保持高比热和高气化热，具有良好的隔热功能。
本发明的另一目的是提供一种水凝胶的制备方法，通过该制备方法制得的水凝胶具有良好的隔热功能。
本发明的又一目的是提供一种水凝胶在电子产品安全防护中的应用。
为实现以上目的，本发明提供了一种水凝胶，水凝胶pH为中性，按质量份数计，包括2～5份吸水树脂，1～2份触变增稠剂，0.1～0.5份柠檬酸，0.1～0.5份防腐剂及92～96.8份溶剂，溶剂包括水。
为了改进水凝胶水含量不高的问题，本发明通过向吸水树脂溶液中加入触变增稠剂，触变增稠剂具有强亲水作用，能够与水分子发生水化作用，水化后以分子状态高度分散于水中，从而进一步提高水凝胶的水含量。但是发明人在具体实验过程中发现，若是仅有触变增稠剂，虽然可提高水凝胶的水含量，但是当水凝胶的水含量达到89％时，就会出现溢流，发明人经过不断的原因分析发现，水凝胶体系的稳定性不仅与pH有关，还与调节pH所采用的酸的种类有关，更具体地发现当在柠檬酸的调节下使得水凝胶体系的pH保持为中性时，发现水凝胶的水含量达到92％以上时，也不会出现溢流。因此本发明通过向吸水树脂溶液中加入触变增稠剂和柠檬酸，并使得水凝胶的pH保持为中性，可使得水凝胶的水含量达92％以上，无溢流，因此能保持高比热和高气化热，具有良好的隔热功能。
较佳地，本发明的吸水树脂包括聚丙稀酰胺、卡波姆940和羧甲基纤维素中的至少一种。
较佳地，本发明的触变增稠剂为硅酸镁铝、硅酸镁锂中的至少一种。
较佳地，本发明的防腐剂包括苯甲酸钠、山梨酸中的至少一种。
较佳地，本发明的溶剂还包括丙二醇，丙二醇与水的质量之比为1～10:90～99；丙二醇和水混合可形成更高的共沸点，进而进一步提高水凝胶的隔热功能。
较佳地，本发明还包括多巴胺类助剂0.02～0.05份。更具体地，多巴胺类助剂为盐酸多巴胺或多巴胺改性聚丙烯酸酯。具体地，多巴胺改性聚丙烯酸酯可采用下列方法合成：
Figure BDA0003374671390000031
本发明进一步地研究发现，虽然柠檬酸的加入可使得水凝胶的水含量达92％以上，但是将该水凝胶置于超过300℃的环境中，水凝胶的稳定结构容易被破坏，导致水分蒸发的过快，进而影响水凝胶的隔热时间，显然当电子产品的元器件遇到的周边热失控的温度偏高时，该水凝胶无法起到持久隔热保护的作用，这是发明人在创造过程中进一步遇到的难题，发明人经过多次研究发现，在水凝胶溶液中引入多巴胺类助剂可延长水凝胶在高温下的隔热效果，这可能是因为多巴胺为活性分子，可嵌入水凝胶的三维网络结构中进而使得水凝胶结构更稳定，进而使得水凝胶可起到持久隔热保护作用。
为实现以上目的，本发明还提供了一种水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.1～0.5份柠檬酸分为两部分，再将2～5份吸水树脂、1～2份触变增稠剂及第一部分柠檬酸加入到92～96.8份溶剂中，搅拌一定时间，其中溶剂包括水；
(2)在(1)中加入第二部分柠檬酸和0.1～0.5份防腐剂，搅拌一定时间，停止搅拌后得到水凝胶；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
与现有技术相比，本发明的水凝胶的制备方法通过将柠檬酸分为两次加入更有利于提高水凝胶体系的稳定性，进而提高水凝胶的隔热功能。
较佳地，本发明的步骤(1)包括将0.1～0.5份柠檬酸分为份数相同的两部分。
较佳地，本发明的步骤(1)搅拌30min～50min，步骤(2)搅拌15～25min。
较佳地，本发明的步骤(2)包括在(1)中加入第二部分柠檬酸、0.1～0.5份防腐剂及0.02～0.05份多巴胺类助剂。
为实现以上目的，本发明提供了一种上述提及的水凝胶在电子产品安全防护中的应用。
与现有技术相比，本发明的水凝胶因触变增稠剂的加入而具有良好的触变性，因此可将本发明的水凝胶溶液于搅拌下灌装入载体容器中，当停止搅拌后会形成凝胶状的水凝胶，将装载有水凝胶的载体容器与电子产品共存，当遇到高温环境时，水凝胶因水含量高可保持高比热和高气化热，具有良好的隔热效果，因此可保护电子产品的元件的表面温度不超过100℃，而且水凝胶的pH为中性，对载体容器不腐蚀。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和有益效果，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。需说明的是，下述实施所述方法是对本发明做的进一步解释说明，不应当作为对本发明的限制。
实施例1
一种水凝胶，水凝胶pH为中性，以质量份数计，包括3份羧甲基纤维素，1.5份硅酸镁铝，0.3份柠檬酸，0.3份苯甲酸钠及94.9份水，
其中水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将柠檬酸0.3份分为相同份数的两部分，再将3份羧甲基纤维素、1.5份硅酸镁铝及0.15份柠檬酸加入到94.9份水中，搅拌30min；
(2)在(1)中加入0.15份柠檬酸和0.3份苯甲酸钠，搅拌20min，停止搅拌后得到水凝胶；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
实施例2
一种水凝胶，水凝胶pH为中性，以质量份数计，包括2份聚丙稀酰胺，1份硅酸镁锂，0.1份柠檬酸，0.2份苯甲酸钠及96.7份水，
其中水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.1份柠檬酸分为相同份数的两部分，再将2份聚丙稀酰胺、1份硅酸镁锂及0.05份柠檬酸加入到96.7份水中，搅拌40min；
(2)在(1)中加入0.05份柠檬酸和0.2份苯甲酸钠，搅拌20min，停止搅拌后得到水凝胶；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
实施例3
一种水凝胶，水凝胶pH为中性，以质量份数计，包括5份羧甲基纤维素，2份硅酸镁铝，0.5份柠檬酸，0.1份苯甲酸钠及92.4份水，
其中水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.5份柠檬酸分为相同份数的两部分，再将5份羧甲基纤维素、2份硅酸镁铝及0.25份柠檬酸加入到92.4份水中，搅拌30min；
(2)在(1)中加入0.25份柠檬酸和0.1份苯甲酸钠，搅拌20min，停止搅拌后得到水凝胶；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
实施例4
一种水凝胶，水凝胶pH为中性，以质量份数计，包括3份羧甲基纤维素，1.5份硅酸镁铝，0.3份柠檬酸，0.3份苯甲酸钠，93份水及1.898份丙二醇，
其中水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.3份柠檬酸分为相同份数的两部分，再将3份羧甲基纤维素、1.5份硅酸镁铝及0.15份柠檬酸加入到由93份水和1.898份丙二醇混合形成的混合液中，搅拌30min；
(2)在(1)中加入0.15份柠檬酸和0.3份苯甲酸钠，搅拌20min，停止搅拌后得到水凝胶；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
实施例5
一种水凝胶，水凝胶pH为中性，以质量份数计，包括3份羧甲基纤维素，1.5份硅酸镁铝，0.3份柠檬酸，0.02份盐酸多巴胺，0.3份苯甲酸钠及94.9份水，
其中水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.3份柠檬酸分为相同份数的两部分，再将3份羧甲基纤维素、1.5份硅酸镁铝及0.15份柠檬酸加入到94.9份水中，搅拌30min；
(2)在(1)中加入0.15份柠檬酸、0.02份盐酸多巴胺和0.3份苯甲酸钠，搅拌20min，停止搅拌后得到水凝胶；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
实施例6
一种水凝胶，水凝胶pH为中性，以质量份数计，包括3份羧甲基纤维素，1.5份硅酸镁铝，0.3份柠檬酸，0.02份多巴胺改性聚丙烯酸酯，0.3份苯甲酸钠及94.9份水，
其中水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.3份柠檬酸分为相同份数的两部分，再将3份羧甲基纤维素、1.5份硅酸镁铝及0.15份柠檬酸加入到94.9份水中，搅拌30min；
(2)在(1)中加入0.15份柠檬酸、0.02份多巴胺改性聚丙烯酸酯和0.3份苯甲酸钠，搅拌20min，停止搅拌后得到水凝胶；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
对比例1
一种水凝胶，以质量份数计，包括3份羧甲基纤维素，1.5份硅酸镁铝，0.3份苯甲酸钠及40份水，
其中水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将3份羧甲基纤维素和1.5份硅酸镁铝加入到40份水中，搅拌30min；
(2)在(1)中加入0.3份苯甲酸钠，搅拌20min，停止搅拌后得到水凝胶；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
对比例2
一种水凝胶，水凝胶pH为中性，以质量份数计，包括3份羧甲基纤维素，1.5份硅酸镁铝，0.4份苯甲酸，0.3份苯甲酸钠及94.9份水，
其中水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.4份苯甲酸分为相同份数的两部分，再将3份羧甲基纤维素、1.5份硅酸镁铝及0.2份苯甲酸加入到94.9份水中，搅拌30min；
(2)在(1)中加入0.2份苯甲酸和0.3份苯甲酸钠，搅拌20min，停止搅拌后得到水凝胶；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
将实施例1～6及对比例1～2的水凝胶的形态进行观察，水凝胶的溢流情况如表1所示。
表1水凝胶形态观察结果
Figure BDA0003374671390000071
从表1可知，实施例1～6的水凝胶均无溢流，而对比例1～2的水凝胶均出现溢流，这也表明水凝胶体系的稳定性不仅与pH有关，还与调节pH所采用的酸的种类有关。
将实施例1～6的水凝胶(质量皆为m1g)分别灌装于六个相同的载体容器(含有蒸发孔)中，将装载有水凝胶的载体容器完全包围温度探测元件以构成试品，并按照以下试验步骤进行高温防护保护试验：
(1)预热试验设备，达到试验温度260℃±3℃并维持30min以上；
(2)打开试验设备炉门，使用夹持装置将试品放入炉腔，关闭炉门并开始计时；
(3)试验时间达到120min后，记录温度探测元件表面的最高温度；
记录的结果如表2所示。
表2温度探测元件表面温度的结果
Figure BDA0003374671390000081
将实施例1-6的水凝胶(质量也皆为m1g)分别灌装于六个相同的载体容器(含有蒸发孔)中，将装载有水凝胶的载体容器完全包围温度探测元件以构成试品，并按照以下试验步骤进行高温防护保护试验：
(1)预热试验设备，达到试验温度300℃±3℃并维持30min以上；
(2)打开试验设备炉门，使用夹持装置将试品放入炉腔，关闭炉门并计时120分钟后取出；
(3)记录当温度探测元件表面的最高温度达到100℃时所需的时间；
记录结果如表3所示，其中实施例5和实施例6的温度探测元件表面温度皆低于100℃。
表3温度探测元件表面温度达到100℃时所需时间
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
时间 107min 105min 103min 105min --- ---
将实施例5-6的水凝胶(质量也皆为m1g)分别灌装于2个相同的载体容器(含有蒸发孔)中，将装载有水凝胶的载体容器完全包围温度探测元件以构成试品，并按照以下试验步骤进行高温防护保护试验：
(1)预热试验设备，达到试验温度350℃±3℃并维持30min以上；
(2)打开试验设备炉门，使用夹持装置将试品放入炉腔，关闭炉门并计时120分钟后取出；
(3)记录当温度探测元件表面的最高温度达到100℃时所需的时间；
记录结果如表4所示，其中实施例6的温度探测元件表面温度低于100℃。
表4温度探测元件表面温度达到100℃时所需时间
实施例5 实施例6
时间 108min ---
从表2可知，本发明通过向吸水树脂溶液中加入触变增稠剂和柠檬酸，并使得水凝胶的pH保持为中性，可使得水凝胶的水含量达92％以上，无溢流，因此能保持高比热和高气化热，具有良好的隔热功能，即水凝胶可保护电子产品的元件的表面温度不超过100℃。
从表3可知，将水凝胶置于高温环境(300℃)中后，实施例1～4的水凝胶无法保护电子产品的元件的表面温度在两小时之内处于100℃以下，即水凝胶无法起到持久的隔热保护作用，这是因为水凝胶的结构被高温破坏后，水会快速蒸发完毕，导致外界高温直接传到电子产品的元件表面，导致温度急剧上升；而实施例5～6因加入了多巴胺类助剂，当外界温度为300℃时，水凝胶仍可保护电子产品的元件的表面温度至少在两小时之内不超过100℃，即含有多巴胺类助剂的水凝胶的结构更稳定，进而在高温下具有持久的隔热功能。
从表4可知，将水凝胶置于更高温环境(350℃)中后，实施例6的水凝胶在更高温度下具有持久的隔热功能，这表明多巴胺类助剂选为多巴胺改性聚丙烯酸酯时，水凝胶能耐更高的温度，这可能是因为多巴胺改性聚丙烯酸酯更有助于提高水凝胶结构的稳定性，因此实施例6的水凝胶更适合用于保护对安全防护级别要求非常高的电子产品。
最后应当说明的是，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 (6)

1.一种水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将0.1~0.5份柠檬酸分为相同份数的两部分，再将2~5份吸水树脂、1~2份触变增稠剂及第一部分柠檬酸加入到92~96.8份溶剂中，搅拌一定时间，其中所述溶剂包括水，所述触变增稠剂为硅酸镁铝、硅酸镁锂中的至少一种，所述吸水树脂包括聚丙稀酰胺、卡波姆940和羧甲基纤维素中的至少一种；
（2）在（1）中加入第二部分柠檬酸和0.1~0.5份防腐剂，搅拌一定时间，停止搅拌后得到水凝胶，所述水凝胶pH为中性；
以上各物质的含量皆以质量份数计。
2.如权利要求1所述的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述防腐剂包括苯甲酸钠、山梨酸中的至少一种。
3.如权利要求1所述的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述溶剂还包括丙二醇，所述丙二醇与所述水的质量之比为1~10:90~99。
4.如权利要求1所述的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）搅拌30min~50min，所述步骤（2）搅拌15~25min。
5.如权利要求1所述的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）包括在（1）中加入第二部分柠檬酸、0.1~0.5份防腐剂及0.02~0.05份多巴胺类助剂。
6.一种采用如权利要求1~5任一项所述的水凝胶的制备方法制得的水凝胶在电子产品安全防护中的应用。
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