[发明专利]一种含有纤维素纳米晶须的超高强度各向异性水凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种含有纤维素纳米晶须的超高强度各向异性水凝胶的制备方法。该方法是通过主客体作用制得以纤维素纳米晶须物理交联的单交联水凝胶，且在二次交联之前，通过外力实现对单交联水凝胶预拉伸取向，加入Fe³⁺二次交联可固定网络中纤维素纳米晶须的取向，制得力学性能更优的各向异性水凝胶。通过调整丙烯酸与丙烯酰胺单体比例、铁离子浓度以及预拉伸程度，可控制水凝胶的含水量和力学性能等性质，拓展水凝胶的用途范围。本发明方案制备的水凝胶强度极高，为弥补传统水凝胶力学性能差的缺点提供了新的思路；且本方案中制备水凝胶的双物理交联法简单易行、成本低廉，其中固定晶须取向更是制备各向异性水凝胶的一种新方法。

技术领域

本发明涉及一种含有纤维素纳米晶须的超高强度各向异性水凝胶的制备方法，属于复合材料、高分子功能材料领域。

背景技术

传统水凝胶因在实际应用过程中存在强度不足、韧性较差的缺点，而被极大限制了在农业、生物医药、组织工程等诸多领域的应用。设计合理可行的网络结构则是提高水凝胶力学性能的一大关键点，引入有效的能量耗散机制，使水凝胶在发生较大形变时依旧能在一定程度上维持其交联网络的完整性。目前研究人员设计构建了很多不同的水凝胶体系，较有代表性的高强度水凝胶包括拓扑水凝胶、双网络水凝胶、纳米复合水凝胶等。(Yasushi Okumura,Kohzo Ito,Advanced Materials,2001,13,485-487.Gong J.P.,Katsuyama Y.；Kurokawa T.,Advanced Materials,2003,15,1155-1158.Haraguchi K.,Takehisa T.,Advanced Materials,2002,14,1120-1124.)其中，纳米复合水凝胶的三维交联网络由较“硬”的纳米填料和聚合产生的“软”的基底聚合物分子链结合形成，具体可通过物理或化学相互作用，或两种交联方式并存的方式完成交联。而随着近年来对可再生资源纤维素材料的广泛关注，纤维素纳米晶体在复合水凝胶材料中的应用也逐渐增多。据报道，具有亲水性表面的纤维素纳米晶体的加入可有效提高纳米复合水凝胶的力学强度，在一定条件下还利于如可注射性、自愈合性等功能化水凝胶的制备。(Yang J.,Zhao J.J.,HanC.R.,Cellulose,2014,21,541-551.Rui M.A.Domingues,Marta Silva,PavelGershovich,Bioconjugate Chem.,2015,26,1571-1581.Jason R.McKee,Eric A.Appel,Jani Seitsonen,Advanced Functional Materials,2014,24,2706-2713.)同时有研究发现，静电作用、疏水作用、离子配位作用等物理相互作用被视为可再生的“牺牲键”，能取代传统水凝胶网络中的不可逆共价键，从而增强其抗疲劳强度和自恢复性能。(Tao Lin Sun,Takayuki Kurokawa,Shinya Kuroda,Nature Materials,2013,12,932-937.Zhang T.,Cheng Q.,Ye D.,Carbohydrate Polymers,2017,169,139-148.Peng Lin,Shuanhong Ma,Xiaolong Wang,Advanced Materials,2015,27,2054-2059.)

本发明方法以具有高模量、高长径比的纤维素纳米晶须为纳米填料，在传统纳米复合水凝胶网络中不仅发挥提高力学强度的作用，还能作为多功能交联剂，利于纳米填料与基质之间的界面相容性。此外，受有序结构如力学性能优异的软骨、肌肉等软组织的启发，本发明中试图在预拉伸的聚合网络中固定的纤维素纳米晶须取向，由此制备力学性能超高的高度有序纳米复合水凝胶。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种含有纤维素纳米晶须的超高强度各向异性水凝胶的制备方法。

本发明的制备方法包括如下步骤：

一种含有纤维素纳米晶须的超高强度各向异性水凝胶的制备方法，包括如下步骤：