[发明专利]一种高强度水凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于水凝胶制备领域，具体涉及一种高强度水凝胶的制备方法。

背景技术

高分子水凝胶是由交联高分子溶胀于水后形成的三维空间网络结构，通常网状结构内部填充50～90％的水。作为一种湿的软材料，水凝胶在许多方面与人体的一些器官和组织十分相似，因此在生物医用领域(如组织修复材料、人造肌肉、生物传感器及药物载体等方面)显示出良好的应用前景。但传统的合成水凝胶往往呈现较低的力学性能，质脆易碎，不能满足水凝胶在许多领域实际应用需求。为了提高水凝胶的机械强度，近十几年来，凝胶学家开发了一些具有新网络结构和改进力学性能的水凝胶，比较典型的代表如具有拓扑结构(或滑动环)的水凝胶、有机-无机纳米复合水凝胶、双网络水凝胶、四臂凝胶和有机大分子微球复合凝胶等。

但已报道的高强度水凝胶往往存在许多不足，如具有拓扑结构(或滑动环)的水凝胶和四臂水凝胶的制备需要使用具有特殊结构的凝胶前体，对凝胶前体的要求高、适用范围窄。有机-无机纳米复合水凝胶由于主要是通过物理交联形成的网络结构，导致水凝胶稳定性较差。有机大分子微球复合水凝胶的制备虽然不需另加有机交联剂，但需要首先制备表面含有大量自由基(或可分解形成自由基的基团)的聚合物微球作为引发剂和大交联剂来引发单体聚合，过程较为复杂。由强度不对称的两种交联网络组成的双网络水凝胶虽然适用于多种单体、交联剂和交联方法，但制备过程复杂、往往需要多步连续自由基聚合过程，不仅耗时且需要使用小分子的有机化学交联剂。因此，发展简单易行的高强度水凝胶制备方法仍然是一项具有挑战性的工作，对于推动水凝胶的实际应用具有重要理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度水凝胶的制备方法，其通过一步聚合反应制备而成，制备工艺简单易操作，并且，制备得到的水凝胶具有超强的拉伸性能。

其技术解决方案包括：

一种高强度水凝胶的制备方法，依次包括以下步骤：

a、将壳聚糖、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物、水进行混合，充分搅拌得到均匀透明溶液，所述溶液中固含量为15～30％，其中，固体混合物中壳聚糖的质量分数为4～10％，余量为甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物，甲基丙烯酸的质量分数占甲基丙烯酸和共聚单体总质量的3～100％；

b、向所得溶液中充入氮气以充分除氧，再向除去氧气后的溶液中加入引发剂充分混合，引发剂的加入量为甲基丙烯酸和共聚单体总质量的0.5～2.5％，然后将其置于25±1℃的恒温水浴槽中，恒温反应12-36小时，即得高强度水凝胶。

利用甲基丙烯酸与壳聚糖反应生成壳聚糖甲基丙烯酸盐，使原本不溶于水的壳聚糖溶解于水形成均匀溶液，同时壳聚糖甲基丙烯酸盐作为制备水凝胶的多官能大分子交联剂。

作为本发明的一个优选方案，上述步骤a中，步骤a中，壳聚糖、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物、水充分混合后，向其中加入质量分数为0.5％的蒙脱土分散液混合均匀，其中，蒙脱土和壳聚糖的质量分数之和占甲基丙烯酸和共聚单体总质量的4～10％，壳聚糖与蒙脱土的质量比为7～25：1。

加入蒙脱土作为物理交联剂，与壳聚糖甲基丙烯酸盐复合交联制备水凝胶，有利于提高水凝胶的力学性能。

作为本发明的另一个优选方案，步骤a中，上述共聚单体为丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-乙烯己内酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇单丙烯酸酯或聚乙二醇单甲基丙烯酸酯中的任意一种。

通过引入不同结构和性质共聚单体，并进一步调节共聚单体用量，来调节水凝胶的力学性能、溶胀性能以及刺激响应性能，从而获得多种不同功能水凝胶。

更进一步的，上述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵或过硫酸钠中的任意一种。

上述蒙脱土分散液的制备方法为：将蒙脱土加入水中，机械搅拌30分钟，超声分散2小时得到。

上述溶液的固含量为18～25％。

上述引发剂的加入量为甲基丙烯酸和共聚单体总质量的0.8～1.5％。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种高强度水凝胶的制备方法，其首先将壳聚糖、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物、水进行混合，形成混合溶液，然后将该混合溶液除氧后加入引发剂，恒温反应一段时间后制备得到高强度水凝胶；作为本发明的一个优选，其在壳聚糖、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体、水的混合液中加入蒙脱土分散液；其在原料的选择方面，通过加入蒙脱土分散液，作为物理交联剂，有利于凝胶力学性能提高；