[发明专利]一种高强度光控快速自修复水凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度光控快速自修复水凝胶的制备方法。

背景技术

具备自修复功能的高分子材料，通过自我修复破损部位，延长材料使用寿命，在医用外科敷料，柔性机器人或驱动器部件修复等领域具备广阔应用前景。由于水凝胶是一种空间网状结构中充满水介质的功能材料，凭借其与生物体结构和性能相类似的特性，具备自修复功能的水凝胶材料已经广泛应用于医药卫生，组织工程，石油化工等领域。

目前，关于制备快速自修复水凝胶的研究已经取得了相应的进展。制备出来的自修复水凝胶通过可逆的氢键，疏水相互作用等原理实现。修复介质通常采用pH、电、氧化还原电位等。通过修复原理与修复介质相互结合，实现了自修复水凝胶较高的修复率。

虽然自修复水凝胶获得了相应的发展，但是仍有许多问题限制了其实际应用。首先，受限于水凝胶自身较低力学强度，所制备的自修复材料强度小，使用过程中易破裂。其次，修复介质单一，且操作不方便。采用原位自由基聚合与3D打印模具相结合的方法，可以简化自修复水凝胶的制备过程，降低材料加工制造成本，为自修复水凝胶的广泛应用提供条件。

发明内容

本发明由单体N,N-二甲基丙烯酰胺与合成硅酸镁锂交联形成的水凝胶构成。以纳米木浆纤维素作增强相，氧化石墨烯作为光热转化材料，通过原位自由基聚合，简化材料加工制备过程，提高材料制备效率。在满足自修复材料强度的同时，能够实现在光控条件下进行自修复。结合3D打印模具技术，可以实现所述自修复材料的成型应用。

与传统技术相比，本发明所制备的高强度光控快速自修复水凝胶具有易制备，高强度的特性。同时具有制备方法简便、节能节材、环境友好、行之有效、易于推广全程绿色等特性，将会产生较好的社会与生态效益，更符合国家可持续发展的战略需求。同时，本发明可以广泛用于军用与民用领域，具有良好的市场应用前景。具体工艺过程包括高强度光控快速自修复水凝胶材料的制备及成型两个阶段：

1)高强度光控快速自修复水凝胶材料的制备：

a.以N,N-二甲基丙烯酰胺作单体，XLS型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相，氧化石墨烯作光热转化相。单体，引发剂，催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；氧化石墨烯含量为1wt.％～3wt.％；纳米木浆纤维素含量为2wt.％。交联剂质量分数为3wt.％；

b.在冰水浴条件下将一定含量的氧化石墨烯加入蒸馏水中超声振荡半小时，搅拌半小时；然后加入纳米木浆纤维素；随后加入交联剂中，搅拌1小时；然后加入单体并搅拌2小时；最后依次加入引发剂和催化剂，搅拌5分钟；

2)高强度光控快速自修复水凝胶的成型：

a.所选用的模具为3D打印的组合模具。由两个平整的薄板及两个平整的凹槽构成；

b.将1)阶段获得的材料注入模具中并密封，置于25℃环境下反应时间为24小时成型。

本发明的有益效果：

1)本发明所涉及的制备技术利用原位自由基聚合制备高强度光控快速自修复水凝胶。简化材料加工制备过程，提高制备效率。

2)本发明所涉及的制备技术采用物理交联法制备高强度光控快速自修复水凝胶。相较于化学交联法，自身具有较高的力学强度，见表1。通过调节高强度光控快速自修复水凝胶的合成配方，在物理交联法基础上再提高材料强度，以满足高强度光控快速自修复水凝胶对材料结构强度的要求。

3)本发明所涉及的制备技术通过与3D打印模具技术相结合，可以对高强度光控快速自修复水凝胶的成型形状与结构进行设计，拓展该型材料的应用范围。

表1：高强度光控快速自修复水凝胶应力应变值

附图说明

图1是高强度光控快速自修复水凝胶制备模具示意图。

图2是高强度光控快速自修复水凝胶微观组织图。

图3是高强度光控快速自修复水凝胶体积相变温度图。

图4是高强度光控快速自修复水凝胶结构强度及修复率。

具体实施方式

实施例1：制取氧化石墨烯含量为1wt.％的高强度光控快速自修复水凝胶：