[发明专利]纳米粒子均相掺杂的高强度智能化水凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合智能材料领域，具体涉及一种纳米粒子均相掺杂的高强度智能化水凝胶的制备方法。

背景技术

高分子水凝胶作为一种软湿材料具有许多刚性材料不具备的形变和机动性能，因而在工业、农业、生物和材料等领域中均显示出诱人的应用前景。但由于绝大部分传统水凝胶的力学性能都很差，限制了其作为一种新功能材料在各领域中的实际应用。目前虽然有一系列的方法可被用来改善凝胶的强度，如提高交联密度、纤维增强以及通过与具有较好力学性能的单体形成共聚凝胶等，但这些方法往往会损失凝胶原有的特性如亲水性、透明性或环境响应性等。

自20世纪80年代中期以来，随着纳米技术的兴起，纳米材料(粒径1～100nm)由于尺寸效应和界面效应的作用而呈现出许多奇特的性质，如磁场敏感性、电场敏感性等，因而在电子学、光学、机械学、生物学等领域中倍受关注。

纳米复合水凝胶是将纳米尺寸的无机物颗粒分散于水凝胶中形成的复合材料。它不仅将纳米材料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与水凝胶的软湿性能揉合在一起，明显改善了水凝胶的物理和机械性能以及热稳定性等；同时还借助于纳米粒子本身对光、磁场、电场等敏感的特性，赋予纳米粒子复合凝胶对光、电场、磁场等环境响应能力，可用作智能材料，从而拓展了应用范围。

目前合成纳米复合水凝胶的方法主要有共混聚合法、原位(插层)聚合法、纳米材料表面改性等。共混聚合法流程简单，但易产生无机纳米颗粒团聚现象，导致凝胶发生相分离，使纳米复合结构的强度增强效应不明显；原位(插层)聚合法对单体及无机物种类要求高，限制条件较多；纳米材料表面改性虽然能阻止无机纳米颗粒发生团聚，但操作复杂，适用范围窄。

发明内容

本发明提供了一种纳米粒子均相掺杂的高强度智能化水凝胶的制备方法，能有效避免由于纳米粒子团聚引起的相分离，在保持原有高强度特征凝胶结构的基础上，实现了水凝胶的智能化。

一种纳米粒子均相掺杂的高强度智能化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)配制浓度为0.1～4mol/L的第一单体溶液，加入浓度为第一单体溶液浓度的0.01％～2％的引发剂、浓度为第一单体溶液浓度的0.1％～5％的交联剂，在20℃～70℃、惰性气体保护下充分反应6～18小时，制备得到第一网络凝胶；

其中，所述的第一单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，所述的引发剂为过硫酸钾或过氧化苯甲酰，所述的交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，所述的惰性气体为氮气或氩气；

(2)将所述的第一网络凝胶浸泡入浓度为0.1～6mol/L的第二单体和浓度为第二单体溶液浓度的0.1～1％的引发剂的混合溶液中，在20℃～70℃、惰性气体保护下反应6～18小时，得到具有高强度的互穿网络凝胶；

其中，所述的第二单体为丙烯酰胺类及丙烯酸类单体；

(3)将所述的互穿网络凝胶进行脱水处理，得到脱水凝胶；所述的脱水处理为冷冻干燥或真空干燥；

(4)将脱水凝胶置于0.1～2mol/L的金属离子溶液中充分溶胀(通常需要0.5-7天)，得到吸附有金属离子的互穿网络凝胶；

所述的金属离子选择相应的纳米结构具有光敏感、磁敏感或电敏感特性的金属离子，从而使得纳米粒子复合水凝胶具有对光、电场、磁场等环境响应的能力。所述的金属离子可选用Fe³⁺、Fe²⁺、W⁶⁺、WO₄^2-、Mg²⁺、Ti⁴⁺或Ni²⁺中的至少一种，如选用Fe³⁺和Fe²⁺制得的复合水凝胶具有磁响应能力及优秀的导电性；选用W⁶⁺或WO₄^2-制得的复合水凝胶具有较强的紫外及红外吸收能力；如选用Ti⁴⁺，制得的复合水凝胶具有紫外吸收特性及催化氧化能力；如选用Ni²⁺，制得的复合水凝胶具有一定磁性，但导电性较差；当选用两种或两种以上具有不同环境敏感特性的金属离子时，制得的纳米粒子复合水凝胶可同时具有不同的环境相应能力。如当金属离子为铁离子和亚铁离子，得到的水凝胶机械强度高、同时还具有良好的磁性能和导电性能。所述的金属离子可由相应的可溶性硝酸盐、硫酸盐或氯化物等提供；

所述的脱水凝胶在金属离子溶液中充分溶胀的过程如在惰性气体保护下进行，效果更好；惰性气体可以保护金属离子溶液的稳定性，同时保护凝胶结构的规整性。