[发明专利]一种金属配位物理水凝胶薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金属配位物理水凝胶薄膜的制备方法，包括：单体I、单体II、过硫酸钾和去离子水混合后，通入惰性气体，静置后加入四甲基乙二胺，室温下放置得到聚合物溶液，将聚合物溶液旋涂在基片上，得到液膜层，液膜层浸泡在Fe³⁺溶液中得到物理水凝胶薄膜，将物理水凝胶薄膜与基片分离，浸泡在去离子水中，得到金属配位物理水凝胶薄膜。本发明还公开了通过上述制备方法得到的金属配位物理水凝胶薄膜。本发明制备的薄膜具有较好的力学性能，其厚度为2～1400μm，可以通过调节聚合物溶液的浓度、旋涂转速以及旋涂时间进行调控。

技术领域

本发明涉及水凝胶材料领域，具体涉及一种金属配位物理水凝胶薄膜及其制备方法。

背景技术

金属配位物理水凝胶薄膜是一种通过非共价作用形成的可回复的动态交联网络结构的物理水凝胶薄膜。非共价作用包括氢键、离子键、配位键、疏水缔合和主客体相互作用等。用非共价作用替代共价作用可以实现凝胶的后交联工艺，即可以将聚合物溶液加工成一定结构后再交联固化。

水凝胶薄膜在分子分离、医用敷料以及柔性器件等领域有着重要应用。目前限制水凝胶薄膜应用的主要问题在于：一方面水凝胶的力学性能往往比较弱，尤其是在将其制成薄膜之后；另一方面水凝胶薄膜的厚度很难得到精确的控制。

Hayward等通过溶液的旋涂以及后续的光交联工艺制备了厚度为几到几十微米的具有梯度结构的水凝胶薄膜，该薄膜能够展现出较好的三维变形，但是其力学性能却比较弱(Kim,J.；Hanna,J.A.；Byun,M.；Santangelo,C.D.；Hayward,R.C.Science,2012,335:1201-1205)。

近年来科学家们提出了许多增强水凝胶力学性能的方法，如双网络水凝胶，纳米复合的水凝胶等。Liang等通过三步自由基聚合制备出厚度为30-100微米厚的双网络水凝胶薄膜，并且该薄膜具备较好的力学性能(Liang,S.；Yu,Q.；Yin,H.；Wu,Z.L.；Kurokawa,T.；Gong,J.P.Chem.Commum.,2009:48,7518-7520)。但是这种双网络水凝胶薄膜的制备工艺十分繁琐，而且由于双网络水凝胶含有永久交联的共价交联网络结构，该薄膜的厚度很难调控并且不可回收。

目前，很多水凝胶薄膜的制备是通过溶剂挥发的方式，但是该方法很难精确调控薄膜的厚度，并且很难得到厚度均匀的大面积水凝胶薄膜。

发明内容

本发明提供了一种金属配位物理水凝胶薄膜及其制备方法，反应条件温和、操作简单易行、耗时短，制备的金属配位物理水凝胶薄膜的厚度可调，具有较好的力学性能。

一种金属配位物理水凝胶薄膜的制备方法，包括：

(1)单体I、单体II、过硫酸钾以及去离子水在室温下混合后，通入惰性气体，静置后加入四甲基乙二胺，室温下放置一段时间后得到聚合物溶液；

(2)将步骤(1)的聚合物溶液旋涂在基片上，得到液膜层；

(3)将步骤(2)的液膜层在Fe³⁺溶液中浸泡，得到物理水凝胶薄膜；

(4)将步骤(3)的物理水凝胶薄膜与基片分离，在去离子水中浸泡，得到金属配位物理水凝胶薄膜；

所述的单体I为丙烯酸，单体II为丙烯酰胺或N-异丙基丙烯酰胺。

在室温条件下，本发明首先通过自由基无规聚合制备得到聚合物溶液，单体I提供交联位点，单体II提供交联点间的链段长度以及引入响应性链段。然后利用旋涂工艺，把聚合物溶液均匀地涂制成液膜层，最后将液膜层先后浸泡到Fe³⁺溶液和去离子水中，Fe³⁺溶液提供Fe³⁺交联聚合物链段，得到物理水凝胶薄膜；去离子水使羧酸基团与Fe³⁺的金属配位作用进一步固化，得到金属配位物理水凝胶薄膜。