[发明专利]一种高强度双网络纳米氧化铝复合水凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度水凝胶的制备领域，尤其是高强度双网络纳米复合水凝胶的制备。

技术背景

水凝胶是一类具有化学或物理交联结构、可吸收大量水分但不溶于水的高分子或大分子聚集体,它们在水中可保持一定形状和三维空间网络结构。作为一种含水量高达90％，并且和生物软组织很相似的软物质材料，水凝胶被广泛应用于生物、医学领域，例如：组织工程、软骨修复等。但传统水凝胶远低于天然生物组织的力学强度，这严重限制了水凝胶的临床应用。所以，缩小高分子水凝胶与生物软组织之间的性能差距，寻求与生物软组织性能匹配的高分子水凝胶材料，最终达到以水凝胶材料替代受损的生物体软组织的目的，是目前高分子水凝胶研究的重要问题之一。近些年，双网络水凝胶的设计思路对大幅度提高水凝胶力学性能以及推动其在生物材料中应用研究意义重大，高强度双网络水凝胶研究不断取得出色的进展。其中，锁志刚等人采用一步法合成了具有高拉伸性能的水凝胶，该水凝胶以丙烯酰胺和天然大分子海藻酸钠为单体，硫酸钙作为海藻酸钠的离子交联剂，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和四甲基乙二胺分别为丙烯酰胺的交联剂、热引发剂和催化剂，一步制备得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶。该水凝胶可拉伸至约20倍，但相应的拉伸强度仅约为156kPa。在维持海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶高拉伸性能的基础上进一步地提高拉伸强度和压缩强度是制备高强度水凝胶的需要。

纳米氧化铝粒度分布均匀、纯度高、极好分散，其比表面高，具有耐高温的惰性，高活性，属活性氧化铝；多孔性；硬度高、尺寸稳定性好，可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。

本发明将纳米氧化铝与海藻酸钠/聚丙烯酰胺的聚合物体系相结合，利用纳米氧化铝的纳米特性以及其吸附聚合物长链的性能去增强水凝胶的拉伸和压缩强度。从而制备出高强度的纳米复合水凝胶。

发明内容

为克服现有传统海藻酸钠/聚丙烯酰胺双网络水凝胶拉伸及压缩强度小的缺陷，本发明利用纳米氧化铝与聚合物之间的相互作用提高了海藻酸钠/聚丙烯酰胺双网络的力学稳定性，实现上述高强度双网络纳米氧化铝复合水凝胶的制备。所制备的高强度水凝胶拉伸应变可达2076％，拉伸强度可达0.329MPa，形变为0.9时的压缩强度可达3.38MPa。相较于传统传统海藻酸钠/聚丙烯酰胺双网络水凝胶有较大提升。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种高强度双网络纳米氧化铝复合水凝胶，包括天然多糖、聚合物单体、交联剂、引发剂、催化剂、纳米填料；

所述的天然多糖为海藻酸钠；

所述的聚合物单体为丙烯酰胺；

所述的交联剂选自N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙烯基苯；

所述的引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠；

所述的催化剂选自四甲基乙二胺、五甲基二亚乙基三胺；

所述的纳米填料为纳米Al₂O₃，且纳米Al₂O₃的粒径为20～100nm。

一种高强度双网络纳米氧化铝复合水凝胶的具体制备步骤如下：其中步骤2～3在真空、持续搅拌条件下进行；

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，用冷却后的蒸馏水配制质量分数为1～10％纳米Al₂O₃水溶液，经超声波震荡10min分散均匀，备用；

2)取海藻酸钠和丙烯酰胺溶于步骤1)制备的纳米Al₂O₃水溶液中，所述的海藻酸钠与丙烯酰胺的质量比为1:6，且海藻酸钠和丙烯酰胺的总含量的质量分数为10～20％；

3)将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别占丙烯酰胺质量的0.03～0.09％、0.1～0.2％、0.2～0.3％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于45～55℃下，保温反应2～6h，即得到成型的水凝胶；

5)取出玻璃模具内成型的水凝胶浸泡在浓度为0.1～1M的CaCl₂水溶液中2～6h，取出即为成品。