[发明专利]一种具有分级微纳米结构的水凝胶的制备方法

说明书

本发明为一种具有分级微纳米结构的水凝胶的制备方法。该方法首先通过微流控的方式对聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶进行成型，然后通过受限干燥的方法制备在微观结构上具有分级微纳米结构的聚乙烯醇/海藻酸钠复合水凝胶，使材料在结构上具有各向异性，能够有效的提升材料的力学强度和韧性。本发明制备的具有分级微纳米结构的聚乙烯醇/海藻酸钠复合水凝胶的断裂强度最高可以达到4～15MPa,弹性模量可以达到0.3～1.5MPa，断裂能可以达到4～15MJ/m³。

技术领域

本发明属于增强增韧复合水凝胶制备技术领域，具体为一种通过微流控成型方式结合受限干燥工艺制备具有分级微纳米结构的水凝胶的方法。

背景技术

水凝胶是以水为介质由线性高分子链通过共价键、氢键等作用交联形成的一种亲水性三维网状高分子聚合物，它能够吸收大量的水分并且具有稳定的物理化学性质。水凝胶本身具有优异的生物相容性、弹性性能优良、含水率高、低滑动摩擦等优点，这使得水凝胶在软体机器人、生物医学、组织工程、废弃物处理等领域得到广泛研究。

大多数的传统的天然和合成的水凝胶本身的机械性能较弱，这大大限制了水凝胶在一些需要高机械性能的领域的应用。现有的增强增韧策略主要有纳米复合水凝胶、双网络水凝胶、具有可滑动交联点的拓扑水凝胶以及疏水缔合水凝胶。虽然相比较传统的天然以及合成的水凝胶在力学性能上有了很大的提升，但在这些策略中，传统的双网络聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的拉伸强度只能达到2-3MPa，在软体机器人等一些力学性能要求较高的领域还达不到要求。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种具有分级微纳米结构的水凝胶的制备方法。该方法首先通过微流控的方式对聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶进行成型，然后通过受限干燥的方法制备在微观结构上具有分级微纳米结构的聚乙烯醇/海藻酸钠复合水凝胶，使材料在结构上具有各向异性，能够有效的提升材料的力学强度和韧性。本发明制备的具有分级微纳米结构的聚乙烯醇/海藻酸钠复合水凝胶的断裂强度最高可以达到4～15MPa,弹性模量可以达到0.3～1.5MPa，断裂能可以达到4～15MJ/m³。

本发明的技术方案为：

一种具有分级微纳米结构的水凝胶的制备方法，该方法为以下两种方式之一：

方法一：制备具有分级微纳米纤维结构的聚乙烯醇/海藻酸钠复合水凝胶，包括以下步骤：

(1)在微流控系统下，将聚乙烯醇/海藻酸钠混合溶液注入到装有氯化钙溶液的容器中，放置10～15h，得到长度3～10cm，直径0.5～1.5mm的纤维状水凝胶；

其中，聚乙烯醇/海藻酸钠混合溶液中，海藻酸钠质量分数：1wt％～4wt％，聚乙烯醇质量分数：1wt％～5wt％；注射速率为3～15ml/min，氯化钙溶液的浓度为0.3～1.0M；所述的微流控系统的注射端直径为0.5～2mm；

(2)然后将纤维状水凝胶的两端分别用夹具夹持固定，保持水凝胶样品处于拉直状态，拉直状态的预拉伸量为0％～100％，在室温下干燥12～48h；

(3)将上一步骤中干燥后的产品，放入水中溶胀6～24h，然后在-10℃～-30℃下冷冻10～15h，再室温解冻2～6h，重复“冷冻-解冻”操作2～6次；完成分级微纳米纤维结构的聚乙烯醇/海藻酸钠复合水凝胶的制备；

或者，方法二，制备具有分级微纳米螺旋结构的聚乙烯醇/海藻酸钠复合水凝胶，包括以下步骤：

(1)在微流控系统下，将聚乙烯醇/海藻酸钠混合溶液注入到装有氯化钙溶液的容器中，放置10～15h，得到长度3～10cm，直径0.5～1.5mm的纤维状水凝胶；