[發(fā)明專利]多組分超分子水凝膠在作為應(yīng)激響應(yīng)材料和自愈合材料中的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310169160.4
• 申請日: 2013-05-09
• 公開（公告）號: CN103272540A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張錦;杜然
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;C09K3/00;G01K11/06;G01J1/00;G01N25/02
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關(guān)暢;王春霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多組分超分子水凝膠在作為應(yīng)激響應(yīng)材料和自愈合材料中的應(yīng)用，屬于水凝膠領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著超分子科學(xué)的出現(xiàn)，超分子水凝膠自21世紀(jì)初開始被廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)化學(xué)法交聯(lián)得到的水凝膠，超分子水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由弱相互作用誘導(dǎo)形成。由于弱相互作用對環(huán)境的變化極為敏感，且常常具有可逆性，因此，超分子水凝膠不僅保持了傳統(tǒng)水凝膠高水含量、生物相容性、環(huán)境友好的特點(diǎn)，而且常兼具應(yīng)激響應(yīng)、自愈合等優(yōu)異性質(zhì)。然而，可實(shí)現(xiàn)多種功能的水凝膠，對交聯(lián)力的類型、強(qiáng)弱等常具有嚴(yán)格的要求。如何有效地調(diào)控超分子水凝膠中的交聯(lián)力，獲得具備多種功能的超分子水凝膠，一直是此領(lǐng)域中的難題。

碳納米管是20世紀(jì)末才被發(fā)現(xiàn)的一種新型一維碳材料。完美的單壁碳納米管可視為由sp²鍵結(jié)合的單層石墨烯片沿特定方向卷曲而成的無縫管狀結(jié)構(gòu)，而多壁碳納米管可視為多根同軸單壁管的組合體。卷曲方向的不同，可以使得碳納米管顯示金屬性或半導(dǎo)體性。碳納米管的直徑可在0.4nm到數(shù)十納米之間變化，而其長度也可在數(shù)百納米到十幾厘米之間變化，長徑比可達(dá)10⁷以上。超高的長徑比，管狀結(jié)構(gòu)的多樣性，管壁上游離的大量π電子，使得碳納米管在光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、吸附方面具備極優(yōu)異的性質(zhì)。

碳納米管具有如許多優(yōu)異的性質(zhì)，因此常被用于水凝膠體系。基于碳納米管的水凝膠，可由純碳納米管構(gòu)成，也可由碳納米管與其它物質(zhì)復(fù)合而成。由于碳納米管的存在，這類水凝膠大多具有高于傳統(tǒng)水凝膠的導(dǎo)電性與力學(xué)強(qiáng)度，而且在吸附、應(yīng)激響應(yīng)方面也常具有更優(yōu)異的表現(xiàn)。然而，具有自愈合功能，或能夠同時(shí)響應(yīng)兩種以上外界刺激的基于碳納米管的水凝膠鮮有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種多組分超分子水凝膠在作為應(yīng)激響應(yīng)材料和自愈合材料中的應(yīng)用，所述多組分超分子水凝膠可以廣泛地應(yīng)用于傳感器、致動器、自愈合材料等技術(shù)領(lǐng)域。

本發(fā)明提供了多組分超分子水凝膠在作為溫度應(yīng)激響應(yīng)材料中的應(yīng)用，可用于制備溫度傳感器；其中，溫度應(yīng)激響應(yīng)是指所述超分子水凝膠隨著溫度的不同在固態(tài)與液態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)變，具體是在高溫下變?yōu)橐簯B(tài)，在低溫下變?yōu)楣虘B(tài)，高溫指35～90℃，低溫指5～30℃。這種溫度誘導(dǎo)的凝膠-溶膠可逆轉(zhuǎn)變，是因?yàn)樵谠摮肿幽z體系中，大部分交聯(lián)力由弱氫鍵提供，而弱氫鍵可通過升溫而被破壞，從而使得凝膠的三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可在升溫的情況下被破壞。由于弱氫鍵的可逆性，在較低溫度靜置一段時(shí)間，凝膠網(wǎng)絡(luò)可得以重構(gòu)；

所述多組分超分子水凝膠為由含強(qiáng)氫鍵的組分、含弱氫鍵的組分和水組成；

所述含強(qiáng)氫鍵的組分為氧化碳納米管、氧化石墨烯、羧基化四氧化三鐵納米粒子、羧基化銀納米粒子、羧基化量子點(diǎn)（如羧基化碳量子點(diǎn)、羧基化硫化鋅量子點(diǎn)、羧基化硫化鎘量子點(diǎn)或羧基化碲化鎘量子點(diǎn)）、聚丙烯酸、聚丙烯醇、聚乙烯醇、聚氨酯、聚酰胺和聚對苯乙烯磺酸鈉中的一種或多種；

所述含弱氫鍵的組分為小分子化合物或高分子化合物，所述小分子化合物或所述高分子化合物均為所述含伯胺、仲胺或叔胺的化合物。

本發(fā)明還提供了多組分超分子水凝膠在作為近紅外光應(yīng)激響應(yīng)材料中的應(yīng)用，可用于制備近紅外光傳感器；其中，所述近紅外光應(yīng)激響應(yīng)指的是所述超分子水凝膠在有無激光照射的條件下在固態(tài)和液態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)變，具體可在連續(xù)型1064nm激光或脈沖型1064nm激光，能量為1～10mJ，功率為0.1～10⁵W，照射時(shí)間為10s～10min時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)；撤除激光后，所得液體可在5～20℃下靜置30s～30min回復(fù)為不流動的凝膠。這種近紅外光誘導(dǎo)的凝膠-溶膠可逆轉(zhuǎn)變，是因?yàn)樘技{米管或石墨烯對近紅外光的強(qiáng)烈吸收作用及將之轉(zhuǎn)換為熱的能力，這種光熱效應(yīng)可用于破壞超分子凝膠體系中的弱氫鍵，從而瓦解三位凝膠網(wǎng)絡(luò)。由于弱氫鍵的可逆性，在較低溫度靜置一段時(shí)間，凝膠網(wǎng)絡(luò)可得以重構(gòu)；

所述多組分超分子水凝膠為由含強(qiáng)氫鍵的組分、含弱氫鍵的組分和水組成；

所述含強(qiáng)氫鍵的組分為氧化碳納米管、氧化石墨烯、羧基化四氧化三鐵納米粒子、羧基化銀納米粒子、羧基化量子點(diǎn)（如羧基化碳量子點(diǎn)、羧基化硫化鋅量子點(diǎn)、羧基化硫化鎘量子點(diǎn)或羧基化碲化鎘量子點(diǎn)）、聚丙烯酸、聚丙烯醇、聚乙烯醇、聚氨酯、聚酰胺和聚對苯乙烯磺酸鈉中的一種或多種；

所述含弱氫鍵的組分為小分子化合物或高分子化合物，所述小分子化合物或所述高分子化合物均為所述含伯胺、仲胺或叔胺的化合物。