[发明专利]石墨烯基纳米复合水凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属纳米复合水凝胶的制备领域，特别是涉及一种石墨烯基纳米复合水凝胶的制备方法。 

背景技术

水凝胶是一种溶胀于水但不溶解于水的、具有三维网络结构的聚合物，网络由大分子主链和亲水性基团构成，在水中能够吸收大量的水分显著溶胀，并在显著溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。 

在自然界中，生物体的很多组织都是由水凝胶结构组成，其中眼睛、皮肤、组织器官等是生物体中重要的组成部分。水凝胶具有优良的生物相容性，其物理性质方面比任何其它人工合成材料更像人体组织。因此，近年来水凝胶在生物医药的应用方面进行了很多的探索，其中环境响应性是研究最多的方面。响应性水凝胶典型的特点是水凝胶体积随着响应条件变化而发生变化，由于温度和pH是最易调节的两个响应，所以这两方面的研究成果作为突出。水凝胶在医学领域中能够用做药物载体、药物控制释放、细胞培养基质、生物酶的固定等；同时在机械工业上可以用作记忆元件开关、传感器等。 

根据水凝胶网络键合方式不同分为物理交联和化学交联。传统的水凝胶一般为化学交联水凝胶，由于化学交联会产生大量的、无序分布的交联点，导致水凝胶响应性慢、机械性能差、易破碎、不易加工等，严重的限制水凝胶实际中的应用。近年来，报道了三种新型高强度水凝胶：拓扑凝胶、双网络凝胶、纳米复合水凝胶，其中Haraguchi等报道的纳米复合水凝胶以粘土作为多功能交联剂，粘土与聚合物通过相互作用作为交联点，通过原位聚合制得纳米复合水凝胶。其优点在于不使用化学交联剂，粘土作为多功能交联剂分布均匀，极大的提高了力学性能(拉伸可以达到1000％，弹性恢复达98％)，并且溶胀度高，响应速度较快，透光度高。响应性纳米复合水凝胶由于其优异的响应性和力学性能，在生物医药和机械工业有广泛的应用前景。 

但是现有报道的石墨烯基水凝胶均不兼具高力学性质和环境响应性。本发明希望对此进行改进。 

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯基纳米复合水凝胶的制备方法。该方法工艺简单，聚合率高，得到的纳米复合水凝胶具有优异的力学性能和环境响应性，在生物医药和机械工业等方面有广泛的应用前景。 

为了解决上述问题，本发明公开了一种石墨烯基纳米复合水凝胶的制备方法，包括： 

制备石墨烯乳液； 

将石墨烯乳液、水、水溶性单体、水溶性引发剂和催化剂混合均匀，在氮气条件下反应得到石墨烯预聚液； 

所述石墨烯预聚液在0-90℃聚合10min-48h，得到石墨烯基的纳米复合水凝胶。 

优选的，可以通过以下方式制备石墨烯乳液：石墨通过改进的Hummers方法得到氧化石墨；所述氧化石墨经过剥离和处理得到石墨烯乳液。 

在本发明的优选示例中，所述石墨烯乳液1-10g；水5-10g；水溶性单体0.1-10g；水溶性引发剂0.005-0.5g；催化剂1-50μl。 

优选的，所述石墨为致密结晶状石墨、鳞片石墨、隐晶质石墨、膨胀石墨、预氧化石墨中的一种。 

优选的，所述石墨烯乳液为氧化石墨烯乳液、石墨烯乳液、PVA功能化石墨烯乳液中的一种。 

优选的，所述水溶性单体为丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N-叔丁基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基吡咯烷酮的一种或其中几种单体的混合。 

优选的，所述引发剂包括水溶性自由基引发剂或者光引发剂；其中自由基引发剂为偶氮二异丁腈、过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠、过氧化二苯甲 酰中的一种；光引发剂为α-酮戊二酸2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、α-氨基-苯基-丙酮中的一种。 

优选的，所述催化剂为N，N，N’，N’-四甲基乙二胺、三乙醇胺、硫代硫酸钠中的一种。 

优选的，以N-异丙基丙烯酰胺或N，N-二乙基丙烯酰胺为单体合成具有温度响应性的纳米复合水凝胶；或者，以丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯为单体合成具有pH响应性的纳米复合水凝胶；或者，以N-异丙基丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺其中一种或二种与丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯其中一种或二种为单体制备具有温度、pH双响应性的纳米复合水凝胶。 

优选的，所述纳米复合水凝胶的断裂强度为0.01-5MPa，最大断裂超过3500％。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点：