本發(fā)明涉及一種用于超聲傳導的水凝膠材料及其制備方法，屬于水凝膠功能材料技術領域。
技術背景
超聲耦合材料在多個領域有著廣泛且重要的應用。比如在超聲檢測及治療過程中，需將耦合劑涂抹于皮膚表面，使超聲發(fā)生探頭與皮膚緊密結合，避免超聲波在傳導過程中損失，而影響檢測結果及治療效果。工業(yè)上使用超聲波進行探傷作業(yè)，檢測各種金屬材料及鑄件、復合材料、塑料制品、精密工件等的加工精度，確認其內部是否存在裂隙、缺陷、傷痕等。超聲探傷中需要使用導聲材料作為超聲探頭和被測物之間的超聲傳導介質，實現(xiàn)界面間的耦合，即排除探頭與被測物間的空氣，使超聲波能有效地傳入被測物，達到有效檢測的目的。
目前常用的用于工業(yè)超聲探傷的耦合材料為水，膏狀耦合劑，有機玻璃和透聲橡膠。水浸法是常用的超聲探傷檢測方法，即將待測器件置于水中檢測，但在實際應用中，由于此方法必須浸入水中，無法用于尺寸過大、材質不能接觸水或易銹蝕的器件。通過涂抹膏狀耦合劑雖然能夠實現(xiàn)大尺寸器件的超聲無損檢測，但由于其為不定型態(tài)，在檢測過程中容易二次產生氣泡，影響檢測結果，且使用后需要清除，殘留的耦合劑還存在銹蝕和腐蝕器件的風險。有機玻璃的聲波傳導性能優(yōu)良，但是機械強度高，對于表面粗糙和不規(guī)則曲面等特殊部位使用時，不能與待測器件緊密結合，從而影響檢測結果。透聲橡膠的聲波傳導性能相對適中，但是透聲橡膠的機械強度和彈性模量太高，在拉伸移動時，會有顆粒狀橡膠脫落，因此使用不便利性差。固態(tài)水凝膠材料作為一種新興材料，具有良好的超聲傳導性能，是一種優(yōu)秀的超聲傳導材料。目前已有專利報導（一種醫(yī)用超聲耦合劑貼片的制備方法，專利公開號cn105056257a），將固態(tài)的水凝膠材料用于醫(yī)用超聲耦合，但由于水凝膠材料機械強度差，在受到較大的作用力后，容易破碎，因此無法應用于工業(yè)超聲無損檢測。
技術實現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有用于超聲無損檢測的耦合材料所存在的技術缺陷，本發(fā)明公開了一種具備優(yōu)良聲學性能的水凝膠材料及制備方法，該制備方法制備的水凝膠材料具有優(yōu)良力學性能和聲傳導性能，其聲傳導性能與水接近，同時具有良好的拉伸強度，彈性模量和耐疲勞性，能夠解決現(xiàn)有技術方案的技術缺陷。
本發(fā)明采用的技術方案是：一種用于超聲傳導的水凝膠材料，所述水凝膠材料采用包括高分子骨架成分、增韌劑、增彈劑、防銹劑、保濕劑、水的原料制得原料液；所述高分子骨架成分為聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇用量占原料液質量百分比2%-15%，聚乙烯吡咯烷酮用量占原料液質量百分比2%-5%；所述增韌劑分別為單寧及由氧化鈣、磷酸、氫氧化鈉原位反應制得的羥基磷灰石；其中單寧用量為原料液質量百分比0.1%-0.4%，用于制得羥基磷灰石的氧化鈣用量為原料液質量百分比0.14%-1.4%，磷酸為原料液質量百分比0.1%-1%，氫氧化鈉用量為原料液質量百分比0.024%-0.24%；所述增彈劑為海藻酸鈉、聚丙烯酸鈉的中一種或兩者的混合物；其中海藻酸鈉用量為原料液質量百分比0.2%-3%，聚丙烯酸鈉用量為原料液質量百分比0.05%-0.5%；所述防銹劑為三乙醇胺、亞硝酸鈉中的一種或兩者的混合物，其中三乙醇胺用量為原料液質量百分比0.5%-3.5%，亞硝酸鈉用量為原料液質量百分比0.1%-1%；所述保濕劑為聚乙二醇、丙二醇、甘油中的一種或以上兩種或三種原料的混合物，其中聚乙二醇用量為原料液質量百分比2%-20%，丙二醇用量為原料液質量百分比1%-5%，甘油用量為原料液質量百分比1%-5%。
所述的一種用于超聲傳導的水凝膠材料的制備方法步驟如下：
步驟1、按所述質量百分比準備水凝膠材料的原料；
步驟2、將聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、海藻酸鈉和聚丙烯酸鈉制成水溶液；
步驟3、制備原位合成的羥基磷灰石，配制氧化鈣水溶液，加入步驟2水溶液中，持續(xù)加熱攪拌，依次加入磷酸、氫氧化鈉和三乙醇胺；
步驟4、向步驟3中，加入單寧和亞硝酸鹽；
步驟5、向步驟4中加入聚乙二醇、丙二醇和甘油后，制得的原料液經真空脫泡后待用；
步驟6、制得的原料液通過包括γ射線、高能x射線、電子束的高能射線輻照合成方法制得水凝膠材料。
本發(fā)明的有益效果是：
1、這種水凝膠材料具有良好的聲學傳導性能。其聲速與水接近，在1500-1700m/s之間，聲阻抗率在1.5-1.6x106pa.s/m之間，衰減常數(shù)小于0.6np/m，達到優(yōu)良透聲橡膠的水平，使其成為非常優(yōu)秀的聲波傳導介質材料。
2，水凝膠材料具有良好的力學性能，拉伸強度達到3-5mpa，使水凝膠材料具有可加工性能，彈性模量為2-4mpa，韌性達500-1000j/m2，確保水凝膠材料的拉伸和形變過程中不容易斷裂，提供操作便利性。水凝膠材料具有良好的耐疲勞性，反復拉伸100次，在第3次后，彈性模量幾乎無變化，確保水凝膠材料可以長時間反復使用。
3，水凝膠材料的表面和內部的ph值均為7.0-8.0，三乙醇胺，磷酸酯和亞硝酸鈉的加入防止銹蝕金屬。水凝膠材料的缺口敏感性與有機玻璃相比相對較低，不容易發(fā)生斷裂，降低在使用過程中磨損對于水凝膠材料強度的影響，保證其在使用過程中的完整性。
上述優(yōu)良的性能使水凝膠材料可以廣泛應用于工業(yè)超聲探傷和醫(yī)用理療檢測等領域。該水凝膠材料的安全性、便利性大幅提高了作為超聲耦合材料的使用性。同時，該水凝膠材料的合成、加工方法，具備可生產性，可以大量的滿足多樣化的材料需求。
具體實施方式
以下是本發(fā)明的具體實施例，所述的實施例是用于描述本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。
實例1：將15g聚乙烯醇，5g聚乙烯吡咯烷酮，3g海藻酸鈉，0.5g聚丙烯酸鈉，和38.96g水加入到三口燒瓶中，加熱至溫度為95℃，攪拌制得均勻的水溶液，持續(xù)加熱攪拌，加入1.4g氧化鈣，待氧化鈣全部溶解，依次加入1ml濃磷酸，反0.24g氫氧化鈉和3.5g三乙醇胺。待攪拌均勻后，加入0.4g單寧，1g亞硝酸鈉，20g聚乙二醇，5g丙二醇和5g丙三醇，當溶液攪拌均勻后倒出，使用真空脫泡處理。得到無氣泡高分子水溶液。將制得的高分子水溶液進行涂布處理。使用電子加速器進行高能射線照射，照射劑量為5kgy，制得水凝膠材料。
實例2-8的制備方法與實例1類似，具體原料配比如下表所示：
實例1-8的各種組分配比表
實施例2-8所采用的高能射線輻照合成裝置及輻照劑量如下表：
從實例1-8制備的水凝膠材料中，每種配比隨機選取5個，測試水凝膠材料的聲學性能和力學性能。結果如下表所示：
從實例1-8制備的水凝膠材料中，每種配比隨機選取5個，進行防銹蝕測試，將樣品置于鑄鐵鐵板，標記位置，存放24小時后，把樣品從鐵板取下，記錄隨著時間的增加，標記位置是否存在銹蝕。結果如下表：
上述結果表明：
1、本發(fā)明的水凝膠材料的聲學傳導性能與水接近，超聲傳導效果良好，可以作為超聲傳導介質使用。
2、本發(fā)明水凝膠材料的拉伸強度，彈性模量和韌性良好，可加工成任意立體結構，可以在不規(guī)則曲面等特殊部位上使用，按壓和移動。
3、本發(fā)明水凝膠材料中加入多種防銹劑，使用過后，隨著時間延長，金屬沒有發(fā)生銹蝕，減少水凝膠材料銹蝕金屬風險。