[发明专利]石墨烯基纳米粒子复合水凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，具体而言，涉及一种石墨烯基纳米粒子复合水凝胶及其制备方法。

背景技术

高分子水凝胶作为一种“刚柔并济”的软湿材料在最近几十年中一直是研究热点。水凝胶不同于其他刚性材料的特殊性能使得其在工业、农业、生物和材料领域都显示出了很好的应用前景。但绝大多数的传统凝胶强度低韧性差，一定程度上限制了其作为功能性材料在各领域中的实际应用。纳米粒子复合水凝胶是将纳米尺寸的无机物颗粒分散于水凝胶中形成的复合材料，它将纳米材料的刚性、尺寸的稳定性与水凝胶的软湿性能结合在一起，明显改善水凝胶的机械性能以及热稳定性等。

将无机纳米粒子成功引入聚合物体系中，并制备高机械强度水凝胶的，最具代表性的研究为Haraguchi等人以无机粘土纳米粒子作为交联点，在引发剂和助引发剂的作用下，使单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)在纳米粒子表面引发聚合，制备出具有高机械强度的纳米复合凝胶(NC gel)“Nanocomposite hydrogels：a unique organic-inorganic network structure with extraordinary mechanical，optical，and swelling/deswelling properties.”(Advanced Materials，2002.14(16)：p.1120-1124.)。这种凝胶通过高分子长链与粘土粒子表面相互作用，保证高分子链是从粘土片层的表面开始引发，并且由于粘土粒子在体系中的均匀分布，使得用这种方法制得的大分子链分布也相对均匀，结构相对规整，具有较好的力学性能。

石墨烯是一种二维纳米材料，具有极为优异的力学和电学性能。近年来，关于石墨烯基纳米复合材料和复合凝胶的报道有很多。2008年，美国普林斯顿大学和西北大学的科研人员也报道了石墨烯基纳米复合材料的相关研究，他们将少量改性后的功能性石墨烯纳米片引入至聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物体系中。研究表明，石墨烯纳米片可以均匀分散于聚合物体系，这些复合材料表现出良好的机械性能和热稳定性“Functionalized graphene sheets for polymer nanocomposites”(Nature Nanotechnology，2008.3：p.327-331.)。Shi等将氧化石墨烯和PVA溶液混合后得到了复合水凝胶“A pH-sensitive graphene oxide composite hydrogel.”(Chemical Communications，2010，46(14)：p.2376-2378.)。Liu等通过将氧化石墨烯和PVA溶液混合后进行冷冻-解冻，制得的复合水凝胶的机械性能得到提高“High strength graphene oxide/polyvinyl alcohol composite hydrogels”(Journal of Materials Chemistry，2011，21(28)：p.10399-10406.)。

在这些复合水凝胶中纳米粒子(包括石墨烯或氧化石墨烯)与聚合物之间只有氢键等物理作用，而没有强的化学键作用。因此，这些纳米粒子的加入对提高聚合物材料的性能(尤其是机械性能)的帮助不是很大。

如果能够在石墨烯基纳米粒子与聚合物链之间引入共价化学键，所得石墨烯基纳米复合水凝胶的性能无疑将得到很大的改善。但目前关于这类凝胶的报道还很少，已有的少量报道中采用的制备方法一般均较为复杂，不方便实际应用。如Wu等人将NIPAAm和丙烯酸单体溶液与氧化石墨烯混合后再引发聚合，再进一步用一种交联剂将聚合物和氧化石墨烯交联起来“A one-step strategy for thermal-and pH-responsive graphene oxide interpenetrating polymer hydrogel networks”(Journal of Materials Chemistry，2011，21(12)：p.4095-4097.)。