[发明专利]一种高强度多层级水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及水凝胶技术领域，具体公开一种高强度多层级水凝胶及其制备方法和应用。所述制备方法包括：将聚电解质加入水中，混合均匀，得聚电解质溶液；向所述聚电解质溶液中加入交联剂进行交联反应，然后进行冷冻，得水凝胶；或向所述聚电解质溶液中加入第一强酸溶液或第一金属离子溶液后，进行冷冻，得水凝胶；将所得水凝胶解冻后，浸泡至第二强酸溶液或第二金属离子溶液中，清洗，得所述水凝胶。本发明制备的水凝胶形成了微米级孔洞结构，以及纳米级网格微纤的孔壁结构，是一种具有多层级结构的水凝胶，微米级孔洞赋予水凝胶柔性；纳米骨架与孔洞、氢键或离子配位键之间协同分散应力，防止裂纹扩展，赋予水凝胶高强度、高韧性的性能。

技术领域

本发明涉及水凝胶技术领域，尤其涉及一种高强度多层级水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶是一类亲水的具有三维网络结构的聚合物，分子链之间存在物理或化学交联，其分子结构中含有疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子以结合水的形式束缚在凝胶的内部，疏水残基遇水膨胀，在水中溶胀且可保持一定的形状。作为一种高吸水高保水材料，在地表抗旱、化妆品、药物载体、石油堵水、原油或成品油脱水等诸多领域均有广泛应用。然而，传统的水凝胶脆弱易碎，强度低，韧性差，在长期需要承受较大外力的关节润滑、组织工程和软电子器件等领域的应用受到了极大的限制。因此，如何提高水凝胶的力学强度成为水凝胶领域研究的一大热点。

目前改善高分子水凝胶的力学性能的方法主要有互传网络水凝胶、拓扑结构水凝胶、双网络水凝胶和纳米复合水凝胶。拓扑结构凝胶是具有8字型交联点的水凝胶，但是，其制备工艺复杂，方法并不具有通用性，目前报道的拓扑水凝胶主要集中在PEG-α-CD体系。纳米杂化水凝胶是是通过在水凝胶中加入无机纳米粒子，利用有机/无机交替堆砌排列，杂化形成特殊的水凝胶微结构，虽然可以极大地提高水凝胶的强度，但是会导致水凝胶的柔韧性变差，且均需要从纳米粒子表面开始引发聚合，制备方法也较为复杂。互传网络水凝胶一般需要合成功能单体，适用性也不高，且制备方法繁琐。因此，提供一种简单、快捷的方法制备强韧性俱佳的水凝胶仍然是一个巨大的挑战和紧迫任务。

发明内容

针对现有技术中水凝胶的合成方法复杂或需要合成功能单体、无法兼顾柔韧性和强度的问题，本发明提供一种高强度多层级水凝胶及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种高强度多层级水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

步骤a，将聚电解质加入水中，混合均匀，得聚电解质溶液；

步骤b，向所述聚电解质溶液中加入交联剂进行交联反应，然后进行冷冻，得水凝胶；

或向所述聚电解质溶液中加入第一强酸溶液或第一金属离子溶液，混合均匀后，进行冷冻，得水凝胶；

步骤c，将步骤b所得水凝胶解冻后，浸泡至第二强酸溶液或第二金属离子溶液中，清洗，得所述高强度多层级水凝胶。

相对于现有技术，本发明提供的水凝胶的制备方法，通过将聚电解质进行冷冻，在凝胶分子中形成冰晶孔洞及聚电解质分子链聚集区，然后将获得的水凝胶浸泡在强酸溶液或金属离子溶液中，使聚电解质与酸或金属离子进行离子交换，诱导聚集区分子链之间以氢键和离子配位键等进行交联，形成多种强交联体系，分子链聚集区的多种交联可促进凝胶分子形成纳米级网络骨架，从而获得多孔且孔壁为纳米级网络交联的多层级结构水凝胶。这种新颖的多层级结构使得水凝胶在不同应力作用下，通过不同的结构单元发挥不同程度的响应，在低负载应力作用下，冰晶所致孔洞的存在可使水凝胶具有较高的柔韧性，形变量可达70％以上；在高负载应力下，纳米级网络交联的孔壁骨架，以及凝胶分子中含有的氢键、离子配位键，可起到有效分散应力、耗散能量的作用，从而使得制备的水凝胶兼具高柔韧性和高强度。

优选的，所述聚电解质溶液的质量浓度为1～10wt％。