[发明专利]一种抗冻高强度超分子有机水凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种抗冻高强度超分子有机水凝胶及其制备方法；将具有抗冻特性的二元溶剂水‑甘油体系和高强度超分子水凝胶相结合；将明胶预水凝胶浸泡柠檬酸钠的水‑甘油混合溶液，明胶预凝胶中的水分子部分被甘油置换，形成有机水凝胶，明胶分子链产生疏水缔合，Cit^3‑与明胶链上的NH₃⁺产生离子配位作用等超分子相互作用，凝胶机械性能得到增强，得到抗冻高强度超分子有机水凝胶。有机水凝胶在‑196℃不结冰，‑80℃能够保持良好的柔韧性，拉伸强度在0.10MPa‑5.0MPa，断裂应变在200％‑1000％，弹性模量在10.0KPa‑200.0KPa，韧性在0.10MJ m^‑3‑10.20MJ m^‑3。

技术领域

本发明涉及一种基于明胶的抗冻性、高强度超分子有机水凝胶及其制备方法，属于功能材料领域。

背景技术

作为一种具有3D网络结构和高水含量的“软湿”材料，水凝胶由于其可调的理化性质和仿生特性，在生物医学领域、软驱动器、健康检测装置和电子皮肤等方面存在着广泛的应用。为了满足这些应用，水凝胶不仅应具有恰当的机械性能，同时应能够保持复杂环境下性能的稳定性。然而大多数传统水凝胶的机械性能都较差，同时在零度以下由于凝胶网络中水的结冰导致其性能丧失，严重限制了水凝胶的应用。因此，设计一个具有抗冻特性的高强度水凝胶具有重要的应用价值。

近年来，通过网络结构设计制备了一系列高强度水凝胶，例如双网络水凝胶、纳米复合水凝胶和大分子微球复合水凝胶。然而这些水凝胶的制备都需要特殊的功能单体和精巧的结构设计，无法实现规模化生产，同时缺乏抗冻特性。近来，通过加入抗冻剂制备了具有良好抗冻特性的有机水凝胶，然而这些有机水凝胶的机械性能较差，制备过程繁琐，同时凝胶组份复杂，合成聚合物的使用使其生物相容性变差。此外，这些抗冻有机水凝胶都缺乏热塑性和自愈合性能，限制了它们的应用范围和使用寿命。基于非共价相互作用的超分子水凝胶能够赋予水凝胶多重功能性，如可塑性和自愈合特性，使得超分子水凝胶实现可重复使用和延长它们的使用寿命。因此，利用来源丰富的天然原料通过简单的方法制备具有抗冻特性的高强度超分子有机水凝胶仍是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有抗冻有机水凝胶力学性能不足、制备过程繁琐、原料组成复杂和功能性不足等缺点，提供一种制备过程简单、原料组成单一、同时具有抗冻特性和高机械强度的超分子有机水凝胶及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种抗冻高强度超分子有机水凝胶；将具有抗冻特性的二元溶剂水-甘油体系和高强度超分子水凝胶相结合；将明胶预水凝胶浸泡柠檬酸钠的水-甘油混合溶液，明胶预凝胶中的水分子部分被甘油置换，形成有机水凝胶，同时明胶分子链产生疏水缔合，Cit^3-与明胶链上的NH₃⁺产生离子配位作用等超分子相互作用，凝胶机械性能得到增强，得到一种抗冻高强度超分子有机水凝胶。

本发明的一种抗冻高强度超分子有机水凝胶；具有抗冻特性的高强度超分子有机水凝胶，其特征在于，该有机水凝胶由物理交联的明胶网络组成，明胶含量为0.02-1g/ml，介质由水和甘油组成，其中甘油含量为1-70wt％。

本发明的一种抗冻高强度超分子有机水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)配制明胶水溶液，并加热至50-70℃，在磁力搅拌下溶解，得到透明的明胶水溶液；

(2)将步骤(1)所得溶液转移入模具中，随后将其在冰箱中放置，得到明胶预水凝胶；

(3)配制水/甘油混合溶液，其中甘油占混合溶液的质量分数为1-99wt％；称取柠檬酸钠，将其溶于其中，使其质量分数为1-40wt％，形成Na₃Cit的水/甘油溶液；