[发明专利]一种氮化硼填充的复合水凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供一种无机微米级氮化硼填充的复合水凝胶及其制备方法，通过超声协助的方法将无机物氮化硼高度填充在水凝胶前驱液中，使其稳定分散在水凝胶网络中，得到高硬度高导热能力的无机‑有机复合水凝胶。水凝胶既有聚合物又有无机物的刚性，同时赋予了水凝胶高导热能力，从而拓宽其应用。该复合水凝胶由水凝胶和均匀分散在水凝胶网络中的无极微米级氮化硼组成，复合水凝胶热导率为9.087～13.462W/(m·K)，压缩强度在应变为80％时为17～35MPa。本发明实现用一种简单、便捷的方式有效改善水凝胶的导热能力，同时赋予一定的机械性能。

技术领域

本发明属于复合材料科学领域，具体涉及一种氮化硼填充的水凝胶及其制备方法。

背景技术

水凝胶(Hydrogel)是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物，是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。随着国内外市场需求量的不断增长,近年来水凝胶得到了快速发展。高分子水凝胶具有生物相似相容性、高吸水性和刺激响应性，因此在很多领域具有广泛的应用价值，如组织工程、药物递送、卫生材料、分离材料、水土保持、建筑材料和吸附材料等领域，并取得了可观的经济效益。水凝胶有很多种类，按其大小形状的不同，可分为宏观水凝胶和微观水凝胶。按其高分子材料来源的不同，可分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。按其三维网络键合方式的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如氢键、静电作用、链的缠绕等形成，是非永久性的；而化学凝胶则由化学键交联形成，是永久性凝胶。另外，按其对外界环境响应程度的不同，可分为传统型水凝胶和智能型水凝胶。传统型水凝胶对外界环境的变化响应性慢，甚至无响应；而智能型水凝胶能够对外部环境的微小变化或刺激，在物理结构或化学性质上做出相应的变化，这种变化往往还是可逆的。

高分子水凝胶生物相容性好，具有湿软的特性，与人体组织组分相似，在药物控释、组织工程和生物传感器等领域都具有广阔的应用前景。合成高分子水凝胶的生物相容性和生物降解性很差，强度或硬度不高限制了其应用范围，而且水凝胶的导热性较差，但软骨组织替代的应用中易发生局部热量堆积，这对人体组织的生长和再生不利。因此对水凝胶的导热性研究成为近年来的一个研究热点。

在现有技术中，已有工作提出通过引入改性后的氮化硼纳米片来提高水凝胶的导热能力，如发表在《ACS Nano》(ACS Nano,2017,11,3742-3751)的羟基化氮化硼纳米片和聚乙烯醇纳米复合水凝胶；发表在《先进材料》(Advanced Material,2015,27,7196-7203)的边羟基化的氮化硼和聚(N-异丙基丙烯酰胺)复合水凝胶。氮化硼与石墨具有相似的六方层状结构，其本身固有的硬度高，导热性好，化学稳定性好，与石墨不同的是氮化硼不导电，为电绝缘体。但是氮化硼的水溶性差，在水中分散性不稳定，因此以上方法中均需要对六方氮化硼进行羟基化改性，羟基与水产生氢键，可以促进其水溶性。然而，对氮化硼改性的过程繁琐复杂，且会引入其他杂质粒子，其生物相容性受到影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种氮化硼填充的复合水凝胶及其制备方法，实现用一种简单、便捷的方式有效改善水凝胶的导热能力，同时赋予一定的机械性能。

针对以上发明目的，本发明通过超声协助的方法将无机物氮化硼高度填充在水凝胶前驱液中，使其稳定分散在水凝胶网络中，得到高硬度高导热能力的无机-有机复合水凝胶。水凝胶既有聚合物又有无机物的刚性，同时赋予了水凝胶高导热能力，从而拓宽其应用。

本发明提供的无机微米级氮化硼填充的复合水凝胶，该复合水凝胶由水凝胶和均匀分散在水凝胶网络中的无极微米级氮化硼组成，复合水凝胶热导率为9.087～13.462W/(m·K)，压缩强度在应变为80％时为17～35MPa。

进一步地，复合水凝胶中亲水性大分子的质量含量为10％～20％。