[发明专利]一种芳纶纳米纤维强韧化水凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种芳纶纳米纤维强韧化水凝胶及其制备方法，还涉及一种水凝胶前体组合物。本发明的水凝胶前体组合物包括芳纶纳米纤维、单体、交联剂和水溶性的光引发剂，其可以以光固化的方式通过平面微立体光刻等3D打印技术制备成为复杂的三维结构。本发明芳纶纳米纤维强韧化水凝胶具有高强度、高断裂能和高疲劳阈值。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种水凝胶前体组合物、芳纶纳米纤维强韧化水凝胶及其制备方法。

背景技术

光固化水凝胶是一类由特定波长的光引发水凝胶溶液凝胶化而形成的水凝胶，水凝胶溶液主要由单体、交联剂和光引发剂组成。具体来说，光引发剂吸收光后分解成初级自由基而引发单体发生自由基聚合反应形成长链，此长链分子与交联分子进一步成键，最终形成水凝胶三维网络。目前，光固化水凝胶可以通过平面微立体光刻技术进行3D打印制造复杂的三维结构。基于水凝胶的生物相容性，所制造的结构可以在生物医疗、组织工程等领域应用。

芳纶纤维是上世纪60年代由美国杜邦公司研制的一种高性能合成纤维，其中商品名为Kevlar的对位芳纶由聚对苯二甲酰对苯二胺构成。芳纶纤维由于具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能而被广泛用于复合材料中。

专利文献1(CN110964214A)公开了一种电刺激响应型芳纶纳米纤维复合水凝胶，其通过使包括芳纶纳米纤维、作为单体的丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸、作为交联剂的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和作为引发剂的过硫酸钾在模具中在加热的条件下聚合得到，通过使用芳纶纳米纤维，水凝胶的强度和柔韧性得到的了改善。

发明内容

发明要解决的问题

现有技术中的光固化水凝胶的力学性能较弱，无法匹配人体各部分组织的模量，并且在关节处的应用容易发生疲劳破坏，因此存在一定的局限性。专利文献1中芳纶纳米纤维对水凝胶的增强效果仍然不理想，且热固化型水凝胶难以制造出复杂的三维结构。因此亟需开发一种具有充分的强度和柔韧性的光固化型水凝胶。

用于解决问题的方案

本发明人发现，在光固化时芳纶纳米纤维容易发生光老化而断裂形成自由基，可与形成水凝胶的单体分子共同聚合形成共混的水凝胶网络，基于芳纶纳米纤维的高模量与高强度，使得水凝胶的模量和强度得到提高，由此完成了本发明。

具体地，本发明通过以下方案解决本发明的问题。

[1]一种水凝胶前体组合物，其特征在于，包括芳纶纳米纤维、单体、交联剂和水溶性的光引发剂。

[2]根据[1]所述的水凝胶前体组合物，其特征在于，所述芳纶纳米纤维的含量为0.01～0.35wt％；所述单体和交联剂的总含量为15～30wt％；所述单体与所述交联剂的重量比为100∶(0.4～1)；所述单体和交联剂的总重量与所述水溶性的光引发剂的重量之比为(15～25)∶1。

[3]根据[1]或[2]所述的水凝胶前体组合物，其特征在于，所述芳纶纳米纤维为对位芳纶纳米纤维，平均直径为10～500nm，长径比为2000～4000；所述单体为选自(甲基)丙烯酰胺类单体和(甲基)丙烯酸类单体中的一种或多种；所述水溶性的引发剂为水溶性的TPO。

[4]根据[1]～[3]中任一项所述的水凝胶前体组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将芳纶纳米纤维与水混合，并搅拌，得到芳纶纳米纤维的水分散液；

将单体、交联剂和水溶性的光引发剂混合，得到单体混合物；

将所述芳纶纳米纤维的水分散液与所述单体混合物混合，得到所述水凝胶前体组合物。

[5]由根据[4]所述的制备方法得到的水凝胶前体组合物。