[發(fā)明專利]一種高強度高斷裂韌性的磁性水凝膠的制備方法

有效

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• 申請日: 2018-03-14
• 公開（公告）號: CN108424532B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐敬達;王鐵軍;盧同慶
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: C08J3/075
• 分類號: C08J3/075;C08J3/24;C08L33/24;C08K3/22;C08K3/34;C08F120/24;C08F2/44
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會俠

本發(fā)明提出一種高強度高斷裂韌性的磁性水凝膠的制備方法，二價及三價鐵離子通過滲透擴散作用進入聚N,N?二甲基丙烯酰胺納米復(fù)合水凝膠的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)中，然后通過氫氧化鈉共沉淀法使得二價及三價鐵離子原位生成四氧化三鐵磁性顆粒，該磁性顆粒原位沉淀在水凝膠的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)上，分布均勻；在高濃度的氫氧化鈉溶液中，聚N,N?二甲基丙烯酰胺納米復(fù)合水凝膠會發(fā)生體積相變，從而大幅提高磁性水凝膠的強度和斷裂韌性；本發(fā)明方法可以推廣到不同種類的水凝膠中去，是一種通用的高強度高斷裂韌性磁性水凝膠的制備方法；由此方法制備磁性水凝膠可同時解決兩大材料難題：力學(xué)性能差以及磁性粒子分布不均勻，該磁性水凝膠的斷裂韌性高達11000Jm^?2，是目前國際上最強的磁性水凝膠之一。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能高分子材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強度高斷裂韌性的磁性水凝膠的制備方法。

背景技術(shù)

磁性水凝膠由磁性粒子與水凝膠基體復(fù)合而成，水凝膠基體包括聚丙烯酰胺、聚N-異丙基丙烯酰胺、海藻酸鹽、殼聚糖和半纖維素等，磁性粒子包括四氧化三鐵、γ三氧化二鐵和鐵酸鈷等。磁性水凝膠近年來發(fā)展迅速，在藥物釋放、光子晶體、驅(qū)動器和人造肌肉等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。多孔結(jié)構(gòu)的磁性水凝膠在磁場下可發(fā)生高達70％的體積變形，使得藥物隨著水分被排擠出來，磁場下的藥物釋放量是無磁場下的7倍，并且可以實現(xiàn)干細胞在小鼠體內(nèi)的可控釋放。具有核殼結(jié)構(gòu)的磁性粒子于磁場激勵下在凝膠溶劑內(nèi)部移動形成周期性排布，呈現(xiàn)出不同的色彩和圖案，是一種響應(yīng)型的光子晶體，可用于制造柔性顯示屏。磁性水凝膠懸臂梁在磁場作用下發(fā)生彎曲，可用于制備磁性驅(qū)動器。磁性水凝膠在磁場下可發(fā)生拉伸、收縮和卷曲變形，利用其多樣性的變形模式，可以制備人造肌肉。

目前絕大多數(shù)磁性水凝膠力學(xué)性能極差，限制了其實際應(yīng)用。為了提高水凝膠的力學(xué)性能，國際上有兩種常用的策略。一種是添加無機納米顆粒，比如納米黏土、二氧化硅顆粒；另外一種是采用雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，一層短網(wǎng)絡(luò)，一層長網(wǎng)絡(luò)。然而目前這些增韌方法尚未拓展到磁性水凝膠的領(lǐng)域。

磁性水凝膠的制備方法主要包括共混法和原位沉淀法。在共混法中，直接將磁性顆粒分散到水凝膠單體溶液中，激發(fā)高分子交聯(lián)反應(yīng)得到磁性水凝膠。共混法的缺陷是磁性粒子分布不均勻。在原位沉淀法中，將提前制備好的水凝膠浸泡于二價及三價鐵離子溶液中至溶脹平衡，然后將溶脹的水凝膠浸泡在還原劑溶液中，使得磁性顆粒原位沉淀在水凝膠的聚合物網(wǎng)絡(luò)上，形成均勻的粒子分布。如何將水凝膠的增韌方法與磁性水凝膠的制備方法相結(jié)合，制備出高強度高斷裂韌性的磁性水凝膠，仍然是一個尚未突破的技術(shù)瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有磁性水凝膠力學(xué)性能的不足，提供一種高強度高斷裂韌性的磁性水凝膠的制備方法，利用原位沉淀法得到均勻分布的磁性粒子，另外利用聚合物高分子網(wǎng)絡(luò)在高濃度氫氧化鈉溶液中的體積相變，得到高強度高斷裂韌性的磁性水凝膠。該磁性水凝膠的斷裂韌性高達11000Jm^-2，是目前國際上最強的磁性水凝膠之一；本發(fā)明所提出的方法操作方便，可一步解決力學(xué)性能差和磁性粒子分布不均勻的問題，可以推廣到不同種類的水凝膠中去，是一種通用的高強度高斷裂韌性磁性水凝膠的制備方法。

為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種高強度高斷裂韌性的磁性水凝膠的制備方法，步驟如下：

步驟1：以N,N-二甲基丙烯酰胺為單體，鋰蒙脫石納米黏土顆粒為物理交聯(lián)劑，通過熱引發(fā)的自由基聚合反應(yīng)來形成黏土含量為3-5mol％的聚N,N-二甲基丙烯酰胺納米復(fù)合水凝膠；

步驟2：將FeCl₃·6H₂O與FeCl₂·4H₂O按照摩爾比為2:1的比例混合，加入去離子水配置成鐵離子溶液；

步驟3：將步驟1中所述的聚N,N-二甲基丙烯酰胺納米復(fù)合水凝膠浸入到步驟2中所述的鐵離子溶液內(nèi)，室溫下浸泡24h，使得水凝膠在該鐵離子溶液中充分溶脹至平衡狀態(tài)；