[發明專利]一種芳綸納米纖維強韌化水凝膠及其制備方法

有效

• 申請號: 202210116695.4
• 申請日: 2022-02-07
• 公開（公告）號: CN114437372B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 李曉雁;邢漢崢
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C08J3/075
• 分類號: C08J3/075;C08L77/10;C08L33/26;C08F220/56;C08F222/20;B33Y70/00
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

本發明涉及一種芳綸納米纖維強韌化水凝膠及其制備方法，還涉及一種水凝膠前體組合物。本發明的水凝膠前體組合物包括芳綸納米纖維、單體、交聯劑和水溶性的光引發劑，其可以以光固化的方式通過平面微立體光刻等3D打印技術制備成為復雜的三維結構。本發明芳綸納米纖維強韌化水凝膠具有高強度、高斷裂能和高疲勞閾值。

技術領域

本發明屬于復合材料領域，具體涉及一種水凝膠前體組合物、芳綸納米纖維強韌化水凝膠及其制備方法。

背景技術

光固化水凝膠是一類由特定波長的光引發水凝膠溶液凝膠化而形成的水凝膠，水凝膠溶液主要由單體、交聯劑和光引發劑組成。具體來說，光引發劑吸收光后分解成初級自由基而引發單體發生自由基聚合反應形成長鏈，此長鏈分子與交聯分子進一步成鍵，最終形成水凝膠三維網絡。目前，光固化水凝膠可以通過平面微立體光刻技術進行3D打印制造復雜的三維結構。基于水凝膠的生物相容性，所制造的結構可以在生物醫療、組織工程等領域應用。

芳綸纖維是上世紀60年代由美國杜邦公司研制的一種高性能合成纖維，其中商品名為Kevlar的對位芳綸由聚對苯二甲酰對苯二胺構成。芳綸纖維由于具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優良性能而被廣泛用于復合材料中。

專利文獻1(CN110964214A)公開了一種電刺激響應型芳綸納米纖維復合水凝膠，其通過使包括芳綸納米纖維、作為單體的丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸、作為交聯劑的N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺和作為引發劑的過硫酸鉀在模具中在加熱的條件下聚合得到，通過使用芳綸納米纖維，水凝膠的強度和柔韌性得到的了改善。

發明內容

發明要解決的問題

現有技術中的光固化水凝膠的力學性能較弱，無法匹配人體各部分組織的模量，并且在關節處的應用容易發生疲勞破壞，因此存在一定的局限性。專利文獻1中芳綸納米纖維對水凝膠的增強效果仍然不理想，且熱固化型水凝膠難以制造出復雜的三維結構。因此亟需開發一種具有充分的強度和柔韌性的光固化型水凝膠。

用于解決問題的方案

本發明人發現，在光固化時芳綸納米纖維容易發生光老化而斷裂形成自由基，可與形成水凝膠的單體分子共同聚合形成共混的水凝膠網絡，基于芳綸納米纖維的高模量與高強度，使得水凝膠的模量和強度得到提高，由此完成了本發明。

具體地，本發明通過以下方案解決本發明的問題。

[1]一種水凝膠前體組合物，其特征在于，包括芳綸納米纖維、單體、交聯劑和水溶性的光引發劑。

[2]根據[1]所述的水凝膠前體組合物，其特征在于，所述芳綸納米纖維的含量為0.01～0.35wt％；所述單體和交聯劑的總含量為15～30wt％；所述單體與所述交聯劑的重量比為100∶(0.4～1)；所述單體和交聯劑的總重量與所述水溶性的光引發劑的重量之比為(15～25)∶1。

[3]根據[1]或[2]所述的水凝膠前體組合物，其特征在于，所述芳綸納米纖維為對位芳綸納米纖維，平均直徑為10～500nm，長徑比為2000～4000；所述單體為選自(甲基)丙烯酰胺類單體和(甲基)丙烯酸類單體中的一種或多種；所述水溶性的引發劑為水溶性的TPO。

[4]根據[1]～[3]中任一項所述的水凝膠前體組合物的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

將芳綸納米纖維與水混合，并攪拌，得到芳綸納米纖維的水分散液；

將單體、交聯劑和水溶性的光引發劑混合，得到單體混合物；

將所述芳綸納米纖維的水分散液與所述單體混合物混合，得到所述水凝膠前體組合物。

[5]由根據[4]所述的制備方法得到的水凝膠前體組合物。