[發明專利]高強度、溫度敏感的聚合物-氧化石墨烯復合水凝膠和導電石墨烯復合水凝膠及其制備方法

有效

• 申請號: 201310018978.6
• 申請日: 2013-01-19
• 公開（公告）號: CN103073665A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 童真;張恩重;王濤;孫尉翔;劉新星
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C08F120/54
• 分類號: C08F120/54;C08F2/44;C08K9/02;C08K3/04;C08K3/34;C08J7/12;C08L33/24
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及石墨烯復合材料和環境敏感的高分子材料領域，具體涉及一種聚合物-氧化石墨烯復合水凝膠和一種導電聚合物-石墨烯復合水凝膠及其制備方法。

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背景技術

自2004年英國曼徹斯特大學Geim教授首次制備出單層石墨烯以來，其獨特的性質就引起了科學家們的廣泛關注。石墨烯是單層碳原子緊密堆積而形成的炭素新材料，是目前世界上最薄的二維材料。石墨烯具有非常高的導電性，還具有良好的導熱性、高強度、高透明度和超大的比表面積。這些優異的性能使其在微電子、能源、信息材料和生物醫藥等領域具有重大的應用前景。水凝膠具有高分子三維網絡，能夠吸收并保持大量的水分而不溶解，是一種新型的軟質材料。水凝膠的特性與許多生物組織非常相似，如肌肉、眼的玻璃體和角膜、細胞外基質等。作為人造肌肉、驅動材料等要求凝膠具有一定的強度和導電性，以承受應力和傳遞電信號。聚合物-石墨烯復合水凝膠是一種新型的導電石墨烯復合材料，利用石墨烯的導電性，將其與溫度敏感和生物相容性的聚合物聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）復合，可以制備具有高強度、溫度響應性、生物相容性和導電性的復合水凝膠。這些優異的性能使得這種凝膠可能應用在很多領域，尤其是作為生物醫學材料，如人造肌肉、藥物控制釋放材料、組織栽培基質、執行器、酶固定材料等。

目前，關于聚合物-氧化石墨烯復合水凝膠的報道很多，但是有關高強度聚合物-氧化石墨烯復合水凝膠的報道卻極少。Zu等人將聚環氧乙烷-聚環氧丙烷-聚環氧乙烷（PEG-PPO-PEG）三嵌段共聚物和氧化石墨烯分散液直接混合，可形成水凝膠（Aqueous?Dispersion?of?Graphene?Sheets?Stabilized?by?Pluronic?Copolymers:?Formation?of?Supramolecular?Hydrogel.?Sheng-Zhen?Zu,?et?al.?J.?Phys.?Chem.?C.?2009,?113,?13651–13657），但是這種凝膠力學性能非常低。Zhang等人利用氧化石墨烯和丙烯酰胺（AM）在化學交聯劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）存在下原位自由基聚合，制得聚丙烯酰胺-氧化石墨烯復合水凝膠（Actuator?materials?based?on?graphene?oxide/polyacrylamide?composite?hydrogels?prepared?by?in?situ?polymerization.?Nana?Zhang,?et?al.?Soft?Matter.?2011,?7,?7231–7239）；該凝膠很脆，很容易被壓碎，當壓縮比為1.1（m/m）時，凝膠的模量才0.7?MPa。Ye等人將氧化石墨烯分散在水中，使丙烯酸（AA）在化學交聯劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺存在下原位自由基聚合，制得聚丙烯酸-氧化石墨烯復合水凝膠（Mechanical,?thermal?and?swelling?properties?of?poly(acrylic?acid)-graphene?oxide?composite?hydrogels.?Jianfeng?Shen,?et?al.?Soft?Matter.?2012,?8：1831–1836）。該凝膠具有一定的拉伸強度，最大強度可達27?kPa；但是這種凝膠不具備溫敏性，而且強度仍然達不到使用的要求。由于化學交聯的水凝膠不具有很高的強度和伸長性能，這決定了利用化學交聯劑增強的聚合物-氧化石墨烯水凝膠也不具備很高的拉伸強度和韌性。因此，期望有新的補強劑代替化學交聯劑，制備出力學性能更好的、刺激-響應的聚合物-氧化石墨烯復合水凝膠。