[发明专利]一种超强韧抗冻聚乙烯醇水凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超强韧抗冻聚乙烯醇水凝胶及其制备方法，属于功能高分子材料领域。本发明以生物相容良好的高分子聚乙烯醇为原料，二甲基亚砜为溶剂，采用简单的冷冻‑解冻和硫酸铵水溶液浸泡的两步法制备了具有超强韧抗冻性能的聚乙烯醇水凝胶。本发明方法在劣溶剂水的诱导效应和盐溶液的霍夫曼斯特效应的协同作用下，聚乙烯醇水凝胶展现出优异的超强韧性能；同时，基于特定浓度盐溶液的分子依数性，水、高分子及二甲基亚砜分子间氢键的作用，促使超强韧水凝胶表现出良好的抗冻效果。本发明超强韧抗冻水凝胶可应用在储能、组织工程和环境工程等方面。

技术领域

本发明属于功能高分子材料领域，具体涉及一种超强韧抗冻聚乙烯醇水凝胶及其制备方法。

背景技术

水凝胶由于具有类似于生物组织的良好的结构稳定性和大量的水分，通常被用于机械设备与生物组织的桥梁，在组织修复、实时传感、生物监测和储能等方面具有良好的应用。此外，由于水凝胶中含有大量的水分，在农业生产和环境工程领域也具有良好的应用前景。然而，由于水凝胶中含水量较高，其机械性能较差，尤其是物理键构成的水凝胶，其机械性能很少能达到MPa级别。这严重限制了水凝胶在实际生活中的应用。此外，由于水在0℃下就会结冰，因此水凝胶在较低温度下很容易冻结，从而使水凝胶变脆，严重限制了水凝胶在极端温度和地区下的使用。

为了提高水凝胶的机械性能，人们构建了纳米复合水凝胶、超分子结构水凝胶和双网络水凝胶等多种水凝胶，但是水凝胶的机械性能扔不理想，尤其是纯物理交联网络构建的水凝胶，由于物理键容易断裂，所构建水凝胶的机械性能普遍小于1MPa，仍远不能达到实际应用的需求。由于物理交联网络水凝胶更有利于环境保护和生物降解，因此构建强韧物理网络水凝胶是当前的研究热点。

此外，为了解决水凝胶在低温下的使用问题，当前常用的策略主要是采用有机小分子溶剂或无机化合物溶液作为溶剂，通过与水分子形成氢键或依赖于分子依数性降低水凝胶中水的凝固点，达到水凝胶抗冻的目的。然而，采用有机小分子溶剂会大大降低水凝胶中的水含量，提高水凝胶液体的粘度，从而降低水凝胶的离子导电率，不利于水凝胶在离子导电、储能等领域的应用。而采用无机化合物溶液制得的水凝胶耐低温性能仍不理想，且易导致盐蚀效果。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明采用劣溶剂的诱导效应和盐溶液的霍夫曼斯特(Hofmeister)效应，通过简单的冷冻-解冻和浸泡两步法将聚乙烯醇高分子链充分缠结交联，从而使其机械性能大大提升。此外，在高分子链聚乙烯醇、优溶剂二甲基亚砜与水分子间氢键和盐溶液分子依数性的共同作用下，水凝胶具有良好的抗冻性能。本发明提供了一种具有优异机械性能和良好抗冻性能的物理交联聚乙烯醇水凝胶的制备方法。制得的聚乙烯醇水凝胶不仅能够拓展水凝胶在实际生活中的应用，还为具有优异性能水凝胶的构建提供了一定的思路和方法。

本发明的技术方案是：

本发明的第一个目的是提供一种制备超强韧抗冻聚乙烯醇水凝胶的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将聚乙烯醇溶解在二甲基亚砜溶剂中得到澄清透明溶液，经过冷冻-解冻制得聚乙烯醇预水凝胶；

(2)将步骤(1)中制得的聚乙烯醇预水凝胶浸泡在硫酸铵水溶液中，浸泡后即可得到超强韧抗冻聚乙烯醇水凝胶。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中的聚乙烯醇为1788型，或1797型号，或1799型。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中溶液中聚乙烯醇的质量分数为7％～30％，优选16％。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中的冷冻是在-20±10℃下冷冻5-20h；优选20h。解冻是在室温(25±5℃)下解冻1～4h；优选4h。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中冷冻-解冻一个循环或多个循环；优选2个循环。