[发明专利]一种抗冲击的高强度物理水凝胶的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种抗冲击性能的高强度物理水凝胶制备方法。该方法制备得到的水凝胶具有透明、高模量、抗压的性能，同时具有高拉伸性，韧性，缺陷不敏感性，自我修复、灵活加工性的优点。本发明提供的抗冲击的高强度物理水凝胶及包含该类水凝胶的复合材料均可应用于抗冲击材料、纺织及传感器方面的领域。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种抗冲击的高强度物理水凝胶的制备方法及其应用。

背景技术

水凝胶是一类包含大量水分的具有三维网络结构的高分子材料。由于传统水凝胶力学性能较差(拉伸能力只几倍于原长，且断裂能量小于100J/m^-2)，限制了其作为结构材料在具有较高力学强度要求的工程领域中的应用。因此，能够作为结构材料，具有独特的优良机械性能和可调多功能的水凝胶材料备受关注。性能优异的水凝胶材料在多种工程领域，包括软机器、柔性电子、通讯工程、传感器，有潜在的应用价值。研究表明共价键与非共价键的共同作用可用于制备高强度水凝胶。一般来说，有四种主要的非共价相互作用被广泛用于构建高强度水凝胶：氢键、疏水相互作用、离子静电相互作用、范德华相互作用。非共价键的引入能够使得高强度凝胶具有多功能性，例如高强度、韧性、自恢复性、抗疲劳性、自愈合性等。尽管多种类型的水凝胶已经广泛应用于生物医学领域，但作为结构材料仍然有一定局限。作为结构材料用于生产生活实践中时，水凝胶机械性能、保水能力、透明度和多功能性等方面都存在不足。以上所提到的缺点限制了高强度水凝胶作为结构材料的广泛实际使用价值。此外，在抗冲击材料、纺织及传感器等领域，尚未有同时具有抗冲击、高强度、高韧性、高拉伸性，以及自恢复性、抗疲劳性、自愈合性能较好的水凝胶应用的文献报道。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种抗冲击的高强度物理水凝胶。

本发明的另一个目的在于提供一种抗冲击的高强度物理水凝胶的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种抗冲击的高强度物理水凝胶在抗冲击材料及纺织及传感器领域的应用。

本发明的第四个目的在于提供一种复合材料，包含抗冲击的高强度物理物理水凝胶。

为了达到上述第一个目的，本发明所采用的技术方案是提供了一种抗冲击的高强度物理水凝胶，其结构为含有一种以上可聚合的带电荷单体与中性高分子聚合物相互交联形成的三维网络，其中，三维网状结构中含有金属离子。

其中，所述的可聚合的带电荷单体选自带负电荷的单体丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MAA)、苯乙烯磺酸钠(SSS)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)，或带正电荷的单体甲基丙烯酸二甲氨乙酯甲基氯化铵(DMAEMA·MC)、丙烯酸二甲氨乙酯甲基氯化铵(DMAEAA·MC)、二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)、二甲氨丙基丙烯酰胺甲基氯化铵(DMAPMA·MC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、二烯丙基-N-羰丁氧甲基氯化铵(DACBMAC)、二烯丙基甲基苄基氯化铵(DAMABC)、二烯丙基乙基苄基氯化铵(DAEABC)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、N，N-二甲基-N-苄基-丙烯酰氧基氯化铵(DBAAC)。

其中，所述的中性高分子聚合物选自聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、聚环氧乙烷(PEO)、超支化聚缩水甘油醚(HPG)。

其中，所述金属离子选自锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、铝离子、钙离子或铁离子。

为实现上述第二个目的，本发明所采用的技术方案是提供一种抗冲击的高强度物理水凝胶的制备方法，具体步骤包括：(a)首先在含有带电荷的单体、中性高分子聚合物的溶液中加入引发剂，引发条件下放置一定时间后经冷冻、消融得到初级水凝胶；(b)将a步骤制备的初级水凝胶浸入金属离子盐溶液中，反应一定时间后得到抗冲击的高强度物理水凝胶。