[发明专利]一种二氧化硅塑性水凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种二氧化硅塑性水凝胶及其制备方法，利用无机纳米粒子(二氧化硅)与酰胺类单体通过物理交联形成一种塑性水凝胶。将二氧化硅溶液与N,N‑二甲基丙烯酰胺单体混合，在过硫酸钾引发剂的作用下，加热引发聚合生成水凝胶，所得到的水凝胶能够模塑为各种形状并精准复刻微型图样。本发明的方法具有生产成本低、操作简便的特点，具有大规模制备的潜力和广阔的商业应用前景。

技术领域

本发明属于塑性水凝胶及其制备领域，特别涉及一种二氧化硅塑性水凝胶及其制备方法。

背景技术

由无机纳米粒子和聚合物组成的聚合物纳米复合水凝胶代表了一类新型有机-无机复合材料。其中，无机纳米粒子具有多重物理/化学交联位点，可吸附或键接于聚合物链上，或简单包埋于水凝胶网络之中。与其各自成分相比，聚合物纳米复合水凝胶通常会表现出更优的力学性质和无机纳米材料特有的功能杂化特性，从而广泛应用于电子、光学、传感器、生物工程等技术领域。例如，《化学通讯》(Chemical Communications,2012,48,9305-9307)报道了通过将羧基修饰的Fe₃O₄纳米颗粒引入壳聚糖-聚乙二醇水凝胶中来制备磁性的自愈合水凝胶。《先进功能材料》(Advanced Functional Materials,2015,25,2980-2991)报道了一种具有优异的弹性和快速的热响应性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)-粘土水凝胶。

二氧化硅粒子是一种常见的无机纳米材料，具有较大的比表面积，同时表面存在大量的羟基，可与聚N,N-二甲基丙烯酰胺发生强烈的物理吸附作用。《自然》(Nature 2014,505,382-385)报道，二氧化硅纳米粒子可用作聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)水凝胶和生物组织的有效粘合剂。此外，二氧化硅/聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)纳米复合水凝胶也被大量报道。例如《大分子》(Macromolecules 2010,43,2554-2563)曾报道N,N-二甲基丙烯酰胺单体与二氧化硅粒子在N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂作用下形成一种韧性水凝胶。《软物质》(Soft Matter 2010,6,3619-3631)报道，在不加化学交联剂的情况下，聚N,N-二甲基丙烯酰胺也能与二氧化硅物理交联形成水凝胶，水凝胶中二氧化硅的含量达83.3wt.％，表现出较高的延展性和较好的弹性。《软物质》(Soft Matter 2015,11,5905-5917)进一步表明，聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)分子链在二氧化硅粒子表面的吸附/脱附是动态可逆的，且在较低形变量下这一物理相互作用可完全回复。然而，目前所有已报道的基于二氧化硅和聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)的纳米复合水凝胶普遍呈现弹性形变特性，且水凝胶中二氧化硅含量通常较低(<85wt.％)，而具有更高二氧化硅含量的塑性复合水凝胶尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二氧化硅塑性水凝胶及其制备方法，克服现有技术水凝胶无机含量低，无法任意塑形和制备工艺复杂的技术缺陷，本发明中选择TMA胶态二氧化硅溶液，并调节N,N-二甲基丙烯酰胺单体及过硫酸钾引发剂的用量，以得到一种塑性优良的二氧化硅水凝胶。

本发明的一种二氧化硅塑性水凝胶，按质量百分比，包括二氧化硅85wt％-99wt％、酰胺类单体1wt％-15wt％、热引发剂0.005wt％-2wt％。

所述酰胺类单体为N,N-二甲基丙烯酰胺单体；热引发剂为过硫酸钾。

所述二氧化硅为TMA胶态二氧化硅溶液(购于西格玛公司，货号为420859，34wt.％水溶液，比表面积为140m²/g，pH＝4-7，25℃下密度为1.23g/mL)。

本发明的一种二氧化硅塑性水凝胶的制备方法，包括：

将二氧化硅溶液与酰胺类单体混合，得到混合液，加入热引发剂，聚合反应，即得二氧化硅塑性水凝胶。

所述混合溶液具体为：酰胺类单体加入二氧化硅水溶液中，振荡摇匀然后超声除去气泡。