[發明專利]石墨烯基納米粒子復合水凝膠及其制備方法

無效

• 申請號: 201110425329.9
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102516479A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 汪輝亮;劉佳奇
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: C08F292/00
• 分類號: C08F292/00;C08J3/075
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳貴明;余剛

技術領域

本發明涉及高分子材料領域，具體而言，涉及一種石墨烯基納米粒子復合水凝膠及其制備方法。

背景技術

高分子水凝膠作為一種“剛柔并濟”的軟濕材料在最近幾十年中一直是研究熱點。水凝膠不同于其他剛性材料的特殊性能使得其在工業、農業、生物和材料領域都顯示出了很好的應用前景。但絕大多數的傳統凝膠強度低韌性差，一定程度上限制了其作為功能性材料在各領域中的實際應用。納米粒子復合水凝膠是將納米尺寸的無機物顆粒分散于水凝膠中形成的復合材料，它將納米材料的剛性、尺寸的穩定性與水凝膠的軟濕性能結合在一起，明顯改善水凝膠的機械性能以及熱穩定性等。

將無機納米粒子成功引入聚合物體系中，并制備高機械強度水凝膠的，最具代表性的研究為Haraguchi等人以無機粘土納米粒子作為交聯點，在引發劑和助引發劑的作用下，使單體N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)在納米粒子表面引發聚合，制備出具有高機械強度的納米復合凝膠(NC?gel)“Nanocomposite?hydrogels：a?unique?organic-inorganic?network?structure?with?extraordinary?mechanical，optical，and?swelling/deswelling?properties.”(Advanced?Materials，2002.14(16)：p.1120-1124.)。這種凝膠通過高分子長鏈與粘土粒子表面相互作用，保證高分子鏈是從粘土片層的表面開始引發，并且由于粘土粒子在體系中的均勻分布，使得用這種方法制得的大分子鏈分布也相對均勻，結構相對規整，具有較好的力學性能。

石墨烯是一種二維納米材料，具有極為優異的力學和電學性能。近年來，關于石墨烯基納米復合材料和復合凝膠的報道有很多。2008年，美國普林斯頓大學和西北大學的科研人員也報道了石墨烯基納米復合材料的相關研究，他們將少量改性后的功能性石墨烯納米片引入至聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物體系中。研究表明，石墨烯納米片可以均勻分散于聚合物體系，這些復合材料表現出良好的機械性能和熱穩定性“Functionalized?graphene?sheets?for?polymer?nanocomposites”(Nature?Nanotechnology，2008.3：p.327-331.)。Shi等將氧化石墨烯和PVA溶液混合后得到了復合水凝膠“A?pH-sensitive?graphene?oxide?composite?hydrogel.”(Chemical?Communications，2010，46(14)：p.2376-2378.)。Liu等通過將氧化石墨烯和PVA溶液混合后進行冷凍-解凍，制得的復合水凝膠的機械性能得到提高“High?strength?graphene?oxide/polyvinyl?alcohol?composite?hydrogels”(Journal?of?Materials?Chemistry，2011，21(28)：p.10399-10406.)。

在這些復合水凝膠中納米粒子(包括石墨烯或氧化石墨烯)與聚合物之間只有氫鍵等物理作用，而沒有強的化學鍵作用。因此，這些納米粒子的加入對提高聚合物材料的性能(尤其是機械性能)的幫助不是很大。

如果能夠在石墨烯基納米粒子與聚合物鏈之間引入共價化學鍵，所得石墨烯基納米復合水凝膠的性能無疑將得到很大的改善。但目前關于這類凝膠的報道還很少，已有的少量報道中采用的制備方法一般均較為復雜，不方便實際應用。如Wu等人將NIPAAm和丙烯酸單體溶液與氧化石墨烯混合后再引發聚合，再進一步用一種交聯劑將聚合物和氧化石墨烯交聯起來“A?one-step?strategy?for?thermal-and?pH-responsive?graphene?oxide?interpenetrating?polymer?hydrogel?networks”(Journal?of?Materials?Chemistry，2011，21(12)：p.4095-4097.)。