專利名稱：一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬功能高分子制備領(lǐng)域，涉及一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法。
背景技術(shù)：
高分子水凝膠是一類能夠吸收大量水而不溶于水的低交聯(lián)密度軟濕材料，具有高分子電解質(zhì)特性、三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、良好的機(jī)動性和變形性。因而在衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、材料、生物醫(yī)學(xué)和組織工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是由于傳統(tǒng)水凝膠力學(xué)性能很差，限制了其作為一類新型功能材料在各個領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。近二三十年來，具有功能性和高力學(xué)性的水凝膠逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)，制備此類水凝膠的意義在于其作為智能機(jī)械、流體控制、生物醫(yī)學(xué)、組織工程和傳感器等領(lǐng)域具有極大的潛在應(yīng)用價值。近年來，出現(xiàn)了幾種合成高力學(xué)性能水凝膠的方法納米復(fù)合凝膠、拓?fù)淠z、互穿網(wǎng)絡(luò)凝膠、納米硅復(fù)合凝膠和高分子微球凝膠等。其中納米復(fù)合凝膠是將納米尺寸的無機(jī)物均勻分散于水凝膠體系中形成的符合材料。他將納米材料的剛性和尺寸穩(wěn)定性與水凝膠的軟濕性揉合在一起，顯著改善了水凝膠的物理和力學(xué)性能。Haraguchi 等(Macromolecules，2002，35 :10162 ；Macromo 1. Chem. Phys.，2005，206 ； 1530)在制備納米復(fù)合凝膠制備過程中，用無機(jī)粘土(Clay)作為物理交聯(lián)劑通過在粘土水溶液中進(jìn)行原為聚合得到一種具有快速消溶脹速率和良好力學(xué)性能的納米復(fù)合水凝膠。導(dǎo)電性能凝膠作為功能性凝膠的一種，有望在傳感器、流體控制、智能機(jī)械等領(lǐng)域得到實(shí)際的應(yīng)用。目前，導(dǎo)電凝膠和傳統(tǒng)凝膠一樣存在著力學(xué)性能差，限制了他在工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用。南京大學(xué)報道了采用三互穿網(wǎng)絡(luò)的制備方法，得到了力學(xué)性能較高的導(dǎo)電凝膠 (Dai等Polymer. 2009,50 :5236-5241)，但是該方法存在制備方法復(fù)雜和成型性不好。本發(fā)明的物理和化學(xué)雙互穿網(wǎng)絡(luò)的制備方法可以得到高力學(xué)和導(dǎo)電性能的凝膠。本方法制備凝膠，具有工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到0. 5MPa以上，斷裂伸長率達(dá)到600% 以上，導(dǎo)電率1. OmS/cm以上。本發(fā)明所制備的高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠可在傳感器、流體控制、智能機(jī)械等領(lǐng)域得到實(shí)際的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，該方法制備工藝簡單、便于操作和易于可控，制備的具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠，可在傳感器、流體控制、 智能機(jī)械等領(lǐng)域得到實(shí)際的應(yīng)用。本發(fā)明的一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，包括以下步驟(1)將單體和物理交聯(lián)劑粘土分散于水中，在0 5°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌60 180 分鐘直至溶液澄清；單體在該溶液中的質(zhì)量百分比濃度為5 20%，物理交聯(lián)劑粘土的質(zhì)量為單體質(zhì)量的50 100% ；(2)依次加入化學(xué)交聯(lián)劑，以及導(dǎo)電材料分散液，所述的導(dǎo)電材料分散液分散介質(zhì)是水，所述的導(dǎo)電材料分散液的質(zhì)量濃度2 5%，維持氮?dú)鈿夥詹嚢?0 60分鐘；所述化學(xué)交聯(lián)劑的加入量為單體質(zhì)量的0. 5 2 %，所述的導(dǎo)電材料分散液中的導(dǎo)電材料的質(zhì)量為所述單體質(zhì)量的0. 1 5% ；C3)在0 5°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下分別加入引發(fā)劑水溶液和促進(jìn)劑，攪拌10 20分鐘，所述引發(fā)劑水溶液的質(zhì)量濃度為5 10%，其中引發(fā)劑的質(zhì)量為所述單體質(zhì)量的0. 5 3%，所述促進(jìn)劑的加入量為單體質(zhì)量的1 10% ；(4)于20 30°C下，恒溫進(jìn)行原位自由基聚合20 60小時；(5)所得產(chǎn)物經(jīng)去離子水3 5次浸泡換水，得到具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能的水凝膠；其中，所述的單體是丙烯酰胺或異丙基丙烯酰胺；所述的化學(xué)交聯(lián)劑是N，N’ -亞甲基丙烯酰胺；所述的促進(jìn)劑為N，N, N’ N’ -四甲基乙二胺；所述的引發(fā)劑為過硫酸銨或過硫酸鉀；所述的物理交聯(lián)劑粘土的化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[Mfe 34Li0.66Si8020 (OH) 4] Na0. ^5。作為優(yōu)選的技術(shù)方案如上所述的一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，所述的物理交聯(lián)劑粘土， 單片形狀為柱狀，厚度為1 2nm，直徑為20 30nm。如上所述的一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，所述的導(dǎo)電材料為羥基化的碳納米管或羥基化的石墨烯。如上所述的一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，所述的3 5浸泡換水是將反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于去離子水中72小時，每隔6小時更換去離子水一次。如上所述的一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，所述的物理交聯(lián)劑粘土與化學(xué)交聯(lián)劑的質(zhì)量比為50 200%。本發(fā)明中物理交聯(lián)劑粘土在水中剝離成片層，并均勻分散于水中形成透明溶液， 分子鏈在片層間增長，形成具有優(yōu)良柔韌性的物理網(wǎng)絡(luò)；而化學(xué)交聯(lián)劑將分子鏈之間連接形成化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；所制備的水凝膠兼有物理網(wǎng)絡(luò)的柔韌性和化學(xué)網(wǎng)絡(luò)的成型性。所制備的水凝膠導(dǎo)電材料表面的羥基和功能粘土上的正電荷形成了離子鍵，有利于導(dǎo)電材料的固定；此類水凝膠實(shí)際上是一種物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)同化學(xué)交聯(lián)形成的互傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是1、本發(fā)明具有制備工藝簡單、便于操作和易于可控；2、本發(fā)明可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計其形狀和大小；該制備方法不需要復(fù)雜的機(jī)械模具，省去了機(jī)械加工過程；3、本發(fā)明所制備的水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能——高強(qiáng)度，高延伸率；4、本發(fā)明所制備的水凝膠的力學(xué)性能大小可以通過改變交聯(lián)劑的含量調(diào)節(jié)；5、本發(fā)明所制備的水凝膠具有導(dǎo)電性；6、本發(fā)明所制備的水凝膠的導(dǎo)電性大小可以通過改變導(dǎo)電材料的含量調(diào)節(jié)；7、本發(fā)明所制備的高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠可在傳感器、流體控制、智能機(jī)械等領(lǐng)域得到實(shí)際的應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。實(shí)施例1將6g丙烯酰胺和6g化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[Mfe34Liaf56Si8O2ci(OH)JNaa66的物理交聯(lián)劑粘土(單片形狀為柱狀，厚度為1 2nm，直徑為20 30nm(寫范圍還是具體值，根據(jù)實(shí)際情況))分散在^mL去離子水中，在0°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌180分鐘直至澄清透明；接著將 0. 03g化學(xué)交聯(lián)劑N，N’ -亞甲基丙烯酰胺和3mL 2wt %碳納米管水溶液加入上述溶液中， 維持0°C氮?dú)鈿夥詹嚢?0分鐘；然后加入1.8mL 10%過硫酸銨水溶液，攪拌5分鐘后，再加入0. 6gN, N, N’ N’ -四甲基乙二胺于上述溶液中，并于20°C下進(jìn)行原位自由基聚合反應(yīng) 20小時；將反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于去離子水中72小時，每隔6小時更換去離子水一次，即得到所述的具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能的水凝膠。采用(Dai等Polymer. 2009，50 :5236-5241)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行電學(xué)性能測試，所得的水凝膠導(dǎo)電率1. 07mS/cmo采用(Zhu等MacromolecularRapid Comm. 2006,27 :1023-1028)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行力學(xué)性能測試，所得的水凝膠強(qiáng)度0. 55MPa ；延伸率600%。實(shí)施例2將6g異丙基丙烯酰胺和3g化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[Mfe34Lia66Si8O2tl (OH)4] Naa66的物理交聯(lián)劑粘土(單片形狀為柱狀，厚度為1 2nm，直徑為20 30nm)分散在21mL去離子水中，在5°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌60分鐘直至澄清透明；接著將0. 12g化學(xué)交聯(lián)劑和6mL 2wt% 碳納米管水溶液加入上述溶液中，維持5°C氮?dú)鈿夥詹嚢?0分鐘；然后加入0. 6mL5%過硫酸銨水溶液，攪拌5分鐘后，再加入0. Ig N, N, N’ N’ -四甲基乙二胺于上述溶液中，并于 300C C下進(jìn)行原位自由基聚合反應(yīng)60小時；將反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于去離子水中72小時，每隔6 小時更換去離子水一次，即得到所述的具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能的水凝膠。采用(Dai等Polymer. 2009，50 :5236-5241)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行電學(xué)性能測試，所得的水凝膠導(dǎo)電率1. 96mS/cm。采用(Zhu等MacromolecularRapid Comm. 2006,27 :1023-1028)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行力學(xué)性能測試，所得的水凝膠強(qiáng)度0. 70MPa ；延伸率1000%。實(shí)施例3將6g異丙基丙烯酰胺和4g化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[Mfe34Litl.^5Si8O2tl(OH)4]Naa66的物理交聯(lián)劑粘土(單片形狀為柱狀，厚度為1 2nm，直徑為20 30nm)分散在50mL去離子水中，在2°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌100分鐘直至澄清透明；接著將0. 06g化學(xué)交聯(lián)劑和4mL
石墨烯水溶液加入上述溶液中，維持2°C氮?dú)鈿夥詹嚢?0分鐘；然后加入ImL 8% 過硫酸銨水溶液，攪拌5分鐘后，再加入0. 3g N, N, N’ N’ -四甲基乙二胺于上述溶液中，并于25°C下進(jìn)行原位自由基聚合反應(yīng)48小時；將反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于去離子水中72小時，每隔6 小時更換去離子水一次，即得到所述的具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能的水凝膠。采用(Dai等Polymer. 2009，50 :5236-5241)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行電學(xué)性能測試，所得的水凝膠導(dǎo)電率1. 62mS/cm。采用(Zhu等MacromolecularRapid Comm. 2006,27 :1023-1028)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行力學(xué)性能測試，所得的水凝膠強(qiáng)度0. 62MPa ；延伸率750%。實(shí)施例4將6g丙烯酰胺和3g化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[Mfe34Liaf56Si8O2ci(OH)JNaa66的物理交聯(lián)劑粘土(單片形狀為柱狀，厚度為1 2nm，直徑為20 30nm)分散在IllmL去離子水中，在 2°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌100分鐘直至澄清透明；接著將0. 12g化學(xué)交聯(lián)劑和6mL 2wt%碳納米管水溶液加入上述溶液中，維持2°C氮?dú)鈿夥詹嚢?0分鐘；然后加入1. SmL 10%過硫酸銨水溶液，攪拌5分鐘后，再加入0. 107g N, N, N’ N’ -四甲基乙二胺于上述溶液中，并于 25°C下進(jìn)行原位自由基聚合反應(yīng)60小時；將反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于去離子水中72小時，每隔6小時更換去離子水一次，即得到所述的具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能的水凝膠。采用(Dai等Polymer. 2009，50 :5236-5241)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行電學(xué)性能測試，所得的水凝膠導(dǎo)電率1. 13mS/cm。采用(Zhu等MacromolecularRapid Comm. 2006,27 :1023-1028)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行力學(xué)性能測試，所得的水凝膠強(qiáng)度0. 58MPa ；延伸率720%。實(shí)施例5將6g異丙基丙烯酰胺和6g化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[Mfe34Litl.^5Si8O2tl(OH)4]Naa66的物理交聯(lián)劑粘土(單片形狀為柱狀，厚度為1 2nm，直徑為20 30nm)分散在ISmL去離子水中，在2°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌100分鐘直至澄清透明；接著將0. 12g化學(xué)交聯(lián)劑和6mL
石墨烯水溶液加入上述溶液中，維持2°C氮?dú)鈿夥詹嚢?0分鐘；然后加入3mL 1% 過硫酸銨水溶液，攪拌5分鐘后，再加入0. 3g N, N, N’ N’ -四甲基乙二胺于上述溶液中，并于25°C下進(jìn)行原位自由基聚合反應(yīng)60小時；將反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于去離子水中72小時，每隔6 小時更換去離子水一次，即得到所述的具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能的水凝膠。采用(Dai等Polymer. 2009,50 :5236-5241)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行電學(xué)性能測試，所得的水凝膠導(dǎo)電率2. 2—S/cm。采用(Zhu等MacromolecularRapid Comm. 2006,27 :1023-1028)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行力學(xué)性能測試，所得的水凝膠強(qiáng)度113MPa ；延伸率870%。實(shí)施例6將6g異丙基丙烯酰胺和6g化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[Mfe34Lia66Si8O2tl (OH)4] Naa66的物理交聯(lián)劑粘土(單片形狀為柱狀，厚度為1 2nm，直徑為20 30nm)分散在^mL去離子水中，在5°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌60分鐘直至澄清透明；接著將0.06g化學(xué)交聯(lián)劑和9mL 2wt% 碳納米管水溶液加入上述溶液中，維持5°C氮?dú)鈿夥詹嚢?0分鐘；然后加入1. 2mL5%過硫酸銨水溶液，攪拌5分鐘后，再加入0. 18g N，N，N’ N’-四甲基乙二胺于上述溶液中，并于 30°C下進(jìn)行原位自由基聚合反應(yīng)60小時；將反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于去離子水中72小時，每隔6小時更換去離子水一次，即得到所述的具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能的水凝膠。采用(Dai等Polymer. 2009，50 :5236-5241)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行電學(xué)性能測試，所得的水凝膠導(dǎo)電率1. 73mS/cm。采用(Zhu等MacromolecularRapid Comm. 2006,27 :1023-1028)文獻(xiàn)公開公開方法進(jìn)行力學(xué)性能測試，所得的水凝膠強(qiáng)度0. 62MPa ；延伸率1083%。
權(quán)利要求
1.一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，其特征是包括以下步驟(1)將單體和物理交聯(lián)劑粘土分散于水中，在0 5°c和氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌60 180分鐘直至溶液澄清；單體在該溶液中的質(zhì)量百分比濃度為5 20%，物理交聯(lián)劑粘土的質(zhì)量為單體質(zhì)量的50 100% ；(2)依次加入化學(xué)交聯(lián)劑，以及導(dǎo)電材料分散液，所述的導(dǎo)電材料分散液分散介質(zhì)是水，所述的導(dǎo)電材料分散液的質(zhì)量濃度2 5 %，維持氮?dú)鈿夥詹嚢?0 60分鐘；所述化學(xué)交聯(lián)劑的加入量為單體質(zhì)量的0. 5 2 %，所述的導(dǎo)電材料分散液中的導(dǎo)電材料的質(zhì)量為所述單體質(zhì)量的0. 1 5% ；(3)在0 5°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下分別加入引發(fā)劑水溶液和促進(jìn)劑，攪拌10 20分鐘，所述引發(fā)劑水溶液的質(zhì)量濃度為5 10%，其中引發(fā)劑的質(zhì)量為所述單體質(zhì)量的0. 5 3%， 所述促進(jìn)劑的加入量為單體質(zhì)量的1 10% ；(4)于20 30°C下，恒溫進(jìn)行原位自由基聚合20 60小時；(5)所得產(chǎn)物經(jīng)去離子水3 5次浸泡換水，得到具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能的水凝膠；其中，所述的單體是丙烯酰胺或異丙基丙烯酰胺；所述的化學(xué)交聯(lián)劑是N，N’ -亞甲基丙烯酰胺；所述的促進(jìn)劑為N，N, N’ N’ -四甲基乙二胺；所述的引發(fā)劑為過硫酸銨或過硫酸鉀；所述的物理交聯(lián)劑粘土的化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為[Mfe34Lia66Si8O2tl(OH)4Waa6f^
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，其特征在于，所述的物理交聯(lián)劑粘土，單片形狀為柱狀，厚度為1 2nm，直徑為20 30nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，其特征在于，所述的導(dǎo)電材料為羥基化的碳納米管或羥基化的石墨烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，其特征在于，所述的3 5浸泡換水是將反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于去離子水中72小時，每隔6小時更換去離子水一次。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，其特征在于，所述的物理交聯(lián)劑粘土與化學(xué)交聯(lián)劑的質(zhì)量比為50 200%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠的制備方法，包括以下步驟(1)將單體和物理交聯(lián)劑粘土分散于水中，在0～5℃和氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌60～180分鐘直至溶液澄清；(2)依次加入化學(xué)交聯(lián)劑，以及導(dǎo)電材料分散液，維持氮?dú)鈿夥諗嚢?0～60分鐘；(3)在0～5℃和氮?dú)獗Ｗo(hù)下分別加入引發(fā)劑水溶液和促進(jìn)劑，攪拌10～20分鐘；(4)于20～30℃，恒溫進(jìn)行原位自由基聚合20～60小時；(5)所得產(chǎn)物經(jīng)去離子水3～5次浸泡換水，得到具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能的水凝膠。本發(fā)明的方法制備工藝簡單、便于操作和易于可控，制備的具有高力學(xué)和導(dǎo)電性能水凝膠，可在傳感器、流體控制、智能機(jī)械等領(lǐng)域得到實(shí)際的應(yīng)用。
文檔編號C08K3/04GK102504095SQ20111032432
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月22日
發(fā)明者史展, 朱安峰, 李光, 江建明, 金俊宏 申請人:東華大學(xué)