[发明专利]一种力学性能可调控的高强度木质素水凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种力学性能可调控的高强度木质素水凝胶的制备方法，具体为：首先，将聚合物单体加入到溶剂A中，之后再加入引发剂、木质素和交联剂，搅拌使完全溶解，得到聚合物单体溶液；将聚合物单体溶液在N₂气氛进行反应，得到聚合物长链溶液，之后再将聚合物长链溶液蒸干，得到聚合物固形物；再将木质素加入到溶剂B中，得到木质素溶液，之后再将其到聚合物固形物中，进行溶解，待完全溶解后，蒸干溶剂；最后将得到木质素干凝胶加入到去离子水中，进行溶胀，即可得到高强度木质素水凝胶。该方法制备的高强度木质素水凝胶，克服了传统木质素水凝胶机械性能差的缺点，拉伸应力可达0.1～5.0MPa，应变可达到200％～2000％。

技术领域

本发明属于水凝胶材料制备技术领域，具体涉及一种力学性能可调控的高强度木质素水凝胶的制备方法。

背景技术

水凝胶是一类由亲水的聚合物发生交联后在水中形成的软物质。由于水凝胶含水量大，其能被应用到很多领域，比如组织工程、药物缓释、柔性电子设备等领域。然而传统水凝胶力学性质差，因而在很大程度上限制了其应用。

相比传统水凝胶，高强度水凝胶是一种不仅保有水凝胶材料高含水量的优势，同时还提升了其自身的力学性能，应用前景广阔。在制备过程中，研究人员通过在分子层面的设计，实现了以“半互穿网络模式”、“滑索模式”、“双网络模式”等来增强的高强度水凝胶等。Abu Bin Imran等(Imran et al.,Nature Communications,2014,5:5124.)以n-异丙基丙烯酰胺(NIPAAM)、丙烯酸钠(AAcNa)、a-环糊精和聚乙二醇(PEG)为原料，通过形成的偶联网状结构，使α-环糊精可以在高分子长链上滑动，即滑索模式。该水凝胶拉伸应力、拉伸应变可以分别达到35kPa、1500％。Sun等(Sun et al.,Nature 2012,489,133-6.)利用海藻酸盐和聚丙烯酰胺，通过设计同时具有离子交联的和共价交联结构，合成了拥有优异的拉伸性和韧性的水凝胶。在离子键和共价键双网络共同作用下，其拉伸应变可以达到2000％，破坏能达到9000Jm-2以上。Zhang等(Zhang et al.,Advanced Materials,2016,28(24):4884-4890.)采用两亲三嵌段共聚物(聚甲基丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸-聚甲基丙烯酸丁酯，PBMA-PMAA-PBMA)作为第一层网络，再用聚丙烯酰胺(PAAm)作为第二层网络，形成双网络水凝胶。其破坏能可以达到3000J m-2,拉伸状态下弹性模量、应力、应变可以分别达到2MPa、10MPa、600％。

然而为了提高水凝胶力学性能，设计和合成过程均大量使用了分子量较大，分子链呈线性，且带有特定官能团的合成高分子，其成本较高，所合成的水凝胶材料生物相容性仍有待验证或提高。

木质素是植物纤维原料的主要成分之一，在自然界中蕴藏量仅次于纤维素。它是一种具有多支链结构的天然芳香族高分子，分子刚性大，平均每个木质素基本单元中有0.1-0.4个羟基(羟基含量根据植物种类的不同有一定差异)。同时，木质素具有良好生物相容性、原料可再生、可生物降解的特点。在复合材料研究领域，木质素的添加可以改善高分子材料的机械性能、抗老化性能、生物可降解性能等。因此，将木质素添加进水凝胶是扩大木质素应用范围的有效途径之一。