[发明专利]一种h-BN和PAAm双网络水凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种h‑BN和PAAm双网络水凝胶及其制备方法，属于水凝胶技术领域，其中制备方法包括：将h‑BN和聚乙烯醇溶解于水中，通过低温冷冻后，在冷冻干燥机中冻干，形成h‑BN气凝胶；将h‑BN气凝胶浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h‑BN凝胶，然后浸泡在催化剂中形成h‑BN和PAAm双网络水凝胶。本发明通过先制备h‑BN气凝胶，再与PAAm水凝胶复合，这样得到的h‑BN和PAAm双网络水凝胶中h‑BN本身形成了网络，所以可以在很大程度上增加水凝胶的热导率以及机械性能。

技术领域

本发明属于水凝胶技术领域，更具体地，涉及一种h-BN和PAAm双网络水凝胶及其制备方法。

背景技术

水凝胶是一种具有三维网络结构的交联聚合物，能够在水中溶胀达到平衡，含有大量的水份并且不会在水中溶解。与人体组织的结构相似。而人工合成的水凝胶在应用中具有的缺点是强度比较低，不能满足实际需要。自2003年龚建平组制备出双网络水凝胶以来，这种高强度的双网络水凝胶越来越受关注，许多高强度水凝胶的科研成果层出不穷。

近年来，水凝胶的应用越来越广泛，科研人员尝试把水凝胶作为电子元器件的衬底或封装来使用，以制备可拉伸柔性电子器件。因为电子器件在工作时会由于焦耳效应大量发热影响器件的工作性能。为了使电子器件正常持续使用，水凝胶热导率的提高必不可少。最近科研人员把重点集中在通过掺杂高热导纳米材料制备高热导的水凝胶。目前公布的水凝胶存在如下缺点：第一，制备方法复杂，以Feng Xiao课题组为例，为了减小h-BN与PNIPAM水凝胶的热阻值，首先需要将h-BN与水蒸汽在管式炉中通氩气于850℃发生反应使h-BN边缘带上羟基。反应条件苛刻。第二，水凝胶热导能提高不少，但强度非常低，比如Hongbo Jiang制备的双网络水凝胶。

由此可见，开发出高热导率、高强度的水凝胶是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种h-BN和PAAm双网络水凝胶及其制备方法，由此解决现有的水凝胶存在无法同时具有高热导率和高强度的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种h-BN和PAAm双网络水凝胶的制备方法，包括：

(1)将h-BN和聚乙烯醇混合后溶解于水中，通过低温冷冻后，在冷冻干燥机中冻干，形成h-BN气凝胶；

(2)将h-BN气凝胶浸泡在丙烯酰胺溶液中，真空抽滤后形成含有丙烯酰胺溶液的h-BN凝胶，然后浸泡在催化剂中形成h-BN和PAAm双网络水凝胶。

本发明中h-BN能够溶解在PVA溶液中是因为空化作用，使h-BN能够形成稳定溶液，然后通过真空冷冻形成气凝胶。由于六方氮化硼(h-BN)具有很高的热导率(100W/mK to1000W/mK)，很强的机械性能(约750GPa)，作为复合材料直接加入水凝胶也会提高水凝胶的热导率，但由于h-BN不溶于水，在有机物溶液中也只能低浓度的存在，所以复合水凝胶的h-BN含量有限，并且由于h-BN和水凝胶之间有很高的热阻值，因而得到的复合水凝胶热导率提高较少。本发明通过先制备h-BN气凝胶，再与PAAm水凝胶复合，这样得到的h-BN和PAAm双网络水凝胶中h-BN本身形成了网络，所以可以在很大程度上增加水凝胶的热导率以及机械性能。

进一步地，h-BN为h-BN纳米片，所述h-BN纳米片的厚度为40nm-50nm，所述h-BN纳米片的片径尺寸为2μm-20μm。由于氮化硼纳米片是二维尺寸材料，其低维结构使其具有特殊的声子模式，从而表现出更优异的热导性能。本领域常规技术手段选取氮化硼粉末进行制备，然而本发明选取的氮化硼纳米片的热导率比常规使用的氮化硼粉末高。

进一步地，低温冷冻的温度为-80℃至-120℃，低温冷冻的时间为20h-24h。本发明在冷冻干燥机中冻干之前通过低温冷冻，确保h-BN气凝胶内部结构固定，再冻干是将里面的水分升华出来，直接冻干的话内部结构没固定，会导致形状坍塌。