[发明专利]一种金属离子原位配位增强聚电解质水凝胶的方法

说明书

本发明公开了一种金属离子原位配位增强聚电解质水凝胶的方法，所述方法包括：(1)将ZrOCl₂、带有含氧酸基团的单体、引发剂、交联剂以及去离子水在室温下混合后，通入惰性气体，静置后得到前驱体溶液；(2)将步骤(1)的前驱体溶液装入反应模具后，引发自由基聚合反应，得到预制态的聚电解质水凝胶；(3)将步骤(2)的预制态的聚电解质水凝胶浸泡在去离子水中，得到平衡态的金属离子原位配位增强的聚电解质水凝胶。该方法制备的水凝胶，在预制态和平衡态均呈无色透明状，都具有较好的力学性能。

技术领域

本发明涉及水凝胶材料领域，具体涉及一种金属离子原位增强聚电解质水凝胶的方法。

背景技术

水凝胶薄膜在分离过滤、创伤敷料以及柔性电子等领域有着重要而又广泛的应用。水凝胶薄膜在不同场景下的应用，对水凝胶薄膜提出了不同的性能需求。目前制约水凝胶薄膜进一步应用的主要原因有以下几方面：1、水凝胶薄膜的力学性能较弱；2、水凝胶薄膜的制备过程复杂费时；3、水凝胶薄膜平面结构化控制较为困难。

近年来，随着对水凝胶网络结构的设计和有效能量耗散机制的引入，高强度水凝胶得到了快速发展，其中，也涌现出多种高强度水凝胶薄膜。Ye等利用旋涂法制备第一物理网络，而后通过自由基聚合形成第二网络，从而构筑起双网络结构，制得了厚度为5-100μm的高强度水凝胶薄膜。该水凝胶薄膜的拉伸断裂应力σ_b为0.2-7MPa、断裂应变ε_b为200％-1000％、杨氏模量E为0.1-100MPa(Ye,Y.N.；Frauenlob,M.；Wang,L.；Tsuda,S.；Gong,J.P.Adv.Funct.Mater.,2018,28,1801489)。Zheng等利用溶液旋涂法制得了厚度可控、含水量适中，且具有出色力学性能的Fe³⁺配位物理水凝胶(Zheng,S.Y.；Tian,Y.；Zhang,X.N.；Du,M.；Song,Y.；Wu,Z.L.；Zheng,Q.Soft Matter,2018,14,5888-5897)。但是，在该制备方法中水凝胶的增强主要依靠Fe³⁺通过扩散进入凝胶基体所形成的配位键。Fe³⁺的扩散容易引入厚度方向上的不可控梯度结构。

目前，绝大部分水凝胶薄膜是通过溶剂挥发法、溶液旋涂法制备的，这些方法只能制备片状、块状水凝胶，很难对水凝胶的平面结构进行调控。

金属配位水凝胶薄膜是一种通过金属配位键这一非共价作用交联聚合物而成的水凝胶薄膜。非共价作用包括氢键、离子键、配位键、疏水缔合以及主客体相互作用等。用非共价作用交联水凝胶，能够赋予水凝胶形成可回复的动态网络结构，以适应动态环境下的应用。

目前，主流的金属配位水凝胶薄膜主要是基于羧酸-Fe³⁺配位的水凝胶体系，然而该体系存在以下问题：1、Fe³⁺的扩散会导致不可控的厚度梯度结构；2、Fe³⁺的引入会使水凝胶带有黄色，且颜色随着Fe³⁺含量的增加而加深，影响水凝胶在光学显像领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种金属离子原位配位增强聚电解质水凝胶的方法，水凝胶的制备过程操作简单易行，制备得到的金属离子配位增强的聚电解质水凝胶保持无色透明，且具有较好的力学性能。

一种金属离子原位配位增强聚电解质水凝胶的方法，包括：

(1)将ZrOCl₂、带有含氧酸基团的单体、引发剂、交联剂以及去离子水在室温下混合后，通入惰性气体，静置后得到前驱体溶液；

(2)将步骤(1)的前驱体溶液装入反应模具后，引发自由基聚合反应，得到预制态的聚电解质水凝胶；

(3)将步骤(2)的预制态的聚电解质水凝胶浸泡在去离子水中，得到平衡态的金属离子原位配位增强的聚电解质水凝胶。