[发明专利]一种基于一维二维纳米材料协同增强的高韧性、耐撕裂三元水凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于一维二维纳米材料协同增强的高韧性、耐撕裂三元水凝胶的制备方法，是以2维石墨烯纳米片与1维硬硅钙石纳米线作为交联剂，使得单体能同时与两种不同的纳米材料进行交联，并形成均匀的网络结构。同时，氧化石墨烯片与硬硅钙石纳米线又能形成很强的协同强化作用，因此本发明制备的三元水凝胶具有非常好的韧性与优异的耐撕裂性。

技术领域

本发明涉及一种基于一维二维纳米材料协同增强的高韧性、耐撕裂三元水凝胶的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

交联网络水凝胶是含水的聚合物矩阵，是通过一定的化学或者物理手段交联形成三维网络结构。作为一种高含水性的聚合物软材料，近年来水凝胶被广泛用于传感与检测、医药释放、人造肌肉等领域。大多数以传统方法合成的水凝胶不可避免的表现出有限的机械强度、韧性差、拉伸性低的缺点，这些问题严重限制其在上述领域的实际应用。日本科学家T.Takehisa于2002年首次提出了纳米复合水凝胶，该水凝胶在制备过程中采用纳米颗粒(粘土片)作为交联剂。纳米复合水凝胶的提出极大地提高了水凝胶的机械性能，同时也促进了水凝胶的发展与应用。然而纳米复合水凝胶也存在一定的不足—不能同时提高水凝胶的韧性与耐撕裂性。

近年来，仿生作为一种重要的手段被广泛应用于合成材料领域。众所周知，贝壳是自然界中较为坚硬的物质。从成分来说，贝壳是三元复合物，它是由2维的碳酸钙纳米片和1维的几丁质、蛋白质共同组成；结构方面，2维纳米片与1维纳米线交替的堆积形成有序的微观结构。从力学的角度来看，正是因为2维纳米片与1维纳米线的协同作用才导致了贝壳具有卓越的机械性能。由此可见，利用2维与1维形成协同作用是提高材料机械性能的一个重要手段。然而到目前为止，鲜有文章报道利用这种协同作用来合成纳米复合水凝胶，因此很有必要将这种2维与1维形成的协同作用与纳米复合水凝胶相结合，研究并制备出一种高韧性、耐撕裂的三元水凝胶。

发明内容

本发明为了避免上述现有技术中所存在的问题，旨在提供一种基于一维二维纳米材料协同增强的高韧性、耐撕裂三元水凝胶的制备方法，以获得高韧性、耐撕裂的三元水凝胶。

本发明一维二维纳米材料协同增强的高韧性、耐撕裂三元水凝胶的制备方法，是以氧化石墨烯片和硬硅钙石纳米线作为交联剂，使得单体能同时与两种不同的纳米材料进行交联；另外，氧化石墨烯片与硬硅钙石纳米线又能形成很强的协同作用；除此之外，因为两种纳米材料能够均匀的分散，所以在聚合过程中单体发生的是均匀聚合反应，因此，本发明水凝胶具有很高的韧性以及很好的耐撕裂性。

本发明一维二维纳米材料协同增强的高韧性、耐撕裂三元水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将氧化石墨烯与硬硅钙石纳米线均匀的分散在去离子水中，获得纳米材料分散液；

步骤1中，所述氧化石墨烯的质量与硬硅钙石纳米线的质量比为1:10。

步骤1中，将2mL0.8mg/mL氧化石墨烯与1mL 16mg/mL硬硅钙石纳米线加入到2mL的去离子水中，通过磁力搅拌分散均匀，获得纳米材料分散液。

步骤2：在氮气保护下将单体和引发剂依次加入步骤1制备的纳米材料分散液中，随后置于真空干燥箱中除去分散液中所含的气泡，步骤2的整个过程均在冰水浴中进行；

步骤2中，所述单体为丙烯酰胺；所述引发剂为硫酸盐自由基引发剂，优选过硫酸铵。

步骤2中，所述单体的添加质量为步骤1所得纳米材料分散液质量的16-24％。

步骤2中，所述引发剂的添加质量为步骤1所得纳米材料分散液质量的0.52％。

步骤3：将步骤2获得的混合液置于60℃下聚合反应10.5h，获得高韧性、耐撕裂的三元纳米复合水凝胶。步骤3的反应中不需要额外添加交联剂和引发剂。

本发明的有益效果体现在：