CN1908035A - 纳米复合水凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米复合水凝胶及其制备方法，包括如下步骤：将预聚液在25～35℃条件下聚合，聚合时间为20～30h，然后将聚合产物在35～85℃的温度下，处理5～20天，即获得所说的纳米复合水凝胶；所说的单体选自丙烯酰胺；所说的交联剂选自经焦磷酸钠改性的锂皂石，其化学结构通式为：Mg5.34Li0.66Si8O20 (OH) 4Na0.66。采用上述方法获得的纳米复合水凝胶，是以丙烯酰胺为单体通过原位自由基聚合并通过热处理得到。该方法工艺简单、聚合效率高、得到的聚丙稀酰胺不但具有较高的力学性能，而且具有高吸水性。

Description

纳米复合水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米复合水凝胶的制备方法。
发明背景
高聚物水凝胶是一种能大量吸水溶胀的三维网络结构的聚合物，一般由亲水性的均聚物或共聚物交联而成。水凝胶不溶于水，但能在水中溶涨。
在过去的几十年中，水凝胶的关于环境敏感和生理敏感水凝胶的研究大量涌现，敏感性水凝胶典型的响应方式是水凝胶体积的变化。这种体积的变化是不连续的，利用这种刺激响应特性，水凝胶已经在以下几个方面得到应用：化学工业中用于分离；在医学上用于药物的控制释放；在机械工业上用来制作记忆元件开关、传感器等。
然而，由于高分子凝胶一般是靠高分子交联而成，交联密度不均匀，应力容易集中于短链造成体系在较低的应力下断裂，机械性能差，很少应用到机械装置上。
近年来，出现了三种新型的高强度的水凝胶合成方法：拓扑(TP)凝胶，双网络(DN)凝胶，纳米(NC)凝胶。与其它两种凝胶的合成方法相比，纳米凝胶通过原位自由基聚合形成新的结构，合成工艺简单，凝胶的机械性能大大提高。
日本的Haraguchi等人报道的纳米凝胶，是以聚合异-丙基丙烯酰胺和聚N，N-二甲基丙烯酰胺为原料，利用粘土(焦磷酸改性的锂皂石)作为交联剂将两种高分子聚合，研究表明这两种粘土交联的高分子的强度随着粘土含量的增加而增加，并且获得了很好的伸长率，可以达到1000％，但是这两种材料在大变形后的回弹性不好，也限制了水凝胶在应用方面的发展。
聚丙烯酰胺是一种有无色，透明，柔软弹性，在生理上无刺激，无复杂生理反应和全身性中毒作用，有好的组织相容性和生物学惰性等性能，适应于作为手术扩充空间的粘弹剂，作为体内植入在医学上得到了应用。Liu等人利用粘土作为交联剂的聚丙烯酰胺，具有较高的回弹性，但是吸水性能不佳。
发明内容
本发明所要解决的问题是公开一种纳米水凝胶及其制备方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明的纳米水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将预聚液在25～35℃条件下，引发自由基聚合，聚合时间为20～30h，然后将聚合产物在35～80℃的温度下，保温5～20天，即获得所说的纳米复合水凝胶；
所说的预聚液的组分和重量含量，基于水的重量，包括：
单体      占水重量的10-20％
交联剂    占水重量的5-10％
引发剂    占水重量的0.1-0.2％
催化剂    占水重量的0.1-0.2％
所说的单体选自丙烯酰胺；
所说的交联剂选自经焦磷酸钠改性的锂皂石，其化学结构通式为：Mg5.34Li0.66Si8O20(OH)4Na0.66，俗称“粘土”，可采用市售产品；
所说的引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵或偶氮二异丁晴中的一种；
所说的催化剂选自N，N，N′，N′-四甲基乙二胺、三乙醇胺或代硫酸钠中的一种；
按照本发明优选的方法，先将交联剂加入水中浸润，剥离，形成一种交联剂片层，厚度约1-2nm，直径约20-30nm，然后将其他原料加入到交联剂水溶液中反应。
采用上述方法获得的纳米水凝胶，以丙烯酰胺为单体通原位自由基聚合并通过热处理得到纳米凝胶。该方法工艺简单、聚合效率高、得到的聚丙稀酰胺不但高强度，高延伸率，高回弹性而且具有高吸水性。
具体实施方式
                        实施例1
称量1.5克粘土溶解到28克去离子水溶液，置于150ml烧杯中搅拌2小时，待粘土完全溶解在水溶液中，形成均匀稳定的溶液，称量3克丙烯酰胺，加入烧杯中继续搅拌。同时，称量0.03克过硫酸钾溶解在2克去离子水中，0.024克催化剂TEMED同时加入到烧杯中，搅拌均匀，形成预聚液。
向预聚液中鼓入氮气30分钟，去除溶液中残留的氧。然后将溶液注入到长60mm，直径5mm的玻璃管中，保持30℃，反应24小时。将初步得到的凝胶置于40℃的热恒温箱中，保温5天，得到纳米凝胶。
复合凝胶的力学性能和吸水性能测试采用2006年大分子快报27卷中，朱等人的报道中提到的方法进行检测，其结果如下：
强度：111kPa
延伸率：3374％
回弹性：90-95％
吸水性：2425倍。
                        实施例2
称量1.5克粘土溶解到28克去离子水溶液，置于150ml烧杯中搅拌2小时，待粘土完全溶解在水溶液中，形成均匀稳定的溶液，称量4.5克AAm加入烧杯中继续搅拌。同时，称量0.03克过硫酸钾溶解在2克去离子水中，0.024克催化剂TEMED同时加入到烧杯中，搅拌均匀，形成预聚液。
向预聚液中鼓入氮气30分钟，去除溶液中残留的氧。然后将溶液注入到长60mm，直径5mm的玻璃管中，保持30℃，反应24小时。将初步得到的凝胶置于40℃的热恒温箱中，保温10天，得到纳米凝胶。
复合凝胶的力学性能和吸水性能测试采用2006年大分子快报27卷中，朱等人的报道中提到的方法进行检测，其结果如下：
强度：195kPa
延伸率：2331％
回弹性：90-95％
吸水性：1265倍。
                        实施例3
称量1.5克粘土溶解到28克去离子水溶液，置于150ml烧杯中搅拌2小时，待粘土完全溶解在水溶液中，形成均匀稳定的溶液，称量6克AAm加入烧杯中继续搅拌。同时，称量0.03克过硫酸钾溶解在2克去离子水中，0.024克催化剂TEMED同时加入到烧杯中，搅拌均匀，形成预聚液。
向预聚液中鼓入氮气40分钟，去除溶液中残留的氧。然后将溶液注入到长60mm，直径5mm的玻璃管中，保持35℃，反应30小时。将初步得到的凝胶置于45℃的热恒温箱中，保温15天，得到纳米凝胶。
复合凝胶的力学性能和吸水性能测试采用2006年大分子快报27卷中，朱等人的报道中提到的方法进行检测，其结果如下：
拉伸强度：217Kpa
伸长率：2362％
压缩回弹性：90-95％
吸水性：861倍
                        实施例4
称量3克粘土溶解到28克去离子水溶液，置于150ml烧杯中搅拌2小时，待粘土完全溶解在水溶液中，形成均匀稳定的溶液，称量3克AAm加入烧杯中继续搅拌。同时，称量0.03克KPS溶解在2克去离子水中0.024克催化剂TEMED同时加入到烧杯中，搅拌均匀，形成预聚液。
向预聚液中鼓入氮气20分钟，去除溶液中残留的氧。然后将溶液注入到长60mm，直径5mm的玻璃管中，保持30℃，反应24小时。将初步得到的凝胶置于40℃的热恒温箱中，保温10天，得到纳米凝胶。
复合凝胶的力学性能和吸水性能测试采用2006年大分子快报27卷中，朱等人的报道中提到的方法进行检测，其结果如下：
强度：222kPa
延伸率：2062％
回弹性：90-95％
吸水性：1784倍
                        实施例5
称量3克粘土溶解到28克去离子水溶液，置于150ml烧杯中搅拌2小时，待粘土完全溶解在水溶液中，形成均匀稳定的溶液，称量4.5克AAm加入烧杯中继续搅拌。同时，称量0.03克KPS溶解在2克去离子水中，0.024克催化剂TEMED同时加入到烧杯中，搅拌均匀，形成预聚液。
向预聚液中鼓入氮气10分钟，去除溶液中残留的氧。然后将溶液注入到长60mm，直径5mm的玻璃管中，保持30℃，反应24小时。将初步得到的凝胶置于40℃的热恒温箱中，保温15天，得到纳米凝胶。
复合凝胶的力学性能和吸水性能测试采用2006年大分子快报27卷中，朱等人的报道中提到的方法进行检测，其结果如下：
强度：325kPa
延伸率：2053％
回弹性：90-95％
吸水性：1300倍
                        实施例6
称量3克粘土溶解到28克去离子水溶液，置于150ml烧杯中搅拌2小时，待粘土完全溶解在水溶液中，形成均匀稳定的溶液，称量6克AAm加入烧杯中继续搅拌。同时，称量0.03克KPS溶解在2克去离子水中，0.024克催化剂TEMED同时加入到烧杯中，搅拌均匀，形成预聚液。
向预聚液中鼓入氮气60分钟，去除溶液中残留的氧。然后将溶液注入到长60mm，直径5mm的玻璃管中，保持30℃，反应24小时。将初步得到的凝胶置于40℃的热恒温箱中，保温20天，得到纳米凝胶。
复合凝胶的力学性能和吸水性能测试采用2006年大分子快报27卷中，朱等人的报道中提到的方法进行检测，其结果如下：
强度：397Kpa
延伸率：1938％
回弹性：90-95％
吸水性：748倍。

Claims (6)

1.一种纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将预聚液在25～35℃条件下聚合，聚合时间为20～30h，然后将聚合产物在35～45℃的温度下，保温5～20天，即获得所说的纳米水凝胶；
所说的预聚液的组分和重量含量，基于水的重量，包括：
单体      占水重量的10-20％
交联剂    占水重量的5-10％
引发剂    占水重量的0.1-0.2％
催化剂    占水重量的0.1-0.2％
所说的单体选自丙烯酰胺；
所说的交联剂选自经焦磷酸钠改性的锂皂石，其化学结构通式为：Mg5.34Li0.66Si8O20(OH)4Na0.66。
2.根据权利要求1所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所说的引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁晴中的一种。
3.根据权利要求1所述的纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所说的催化剂选自N，N，N′，N′-四甲基乙二胺、三乙醇胺、代硫酸钠中的一种。
4.根据权利要求1所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所说的溶剂为水。
5.根据权利要求1～4任一项所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，先将交联剂加入水中浸润，剥离，形成一种交联剂片层，厚度约1-2nm，直径约20-30nm，然后将其他原料加入到交联剂水溶液中反应。
6.采用权利要求1～5任一项所述方法制备的纳米复合水凝胶。
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