本發(fā)明屬于高分子化合物，具體地，本發(fā)明主要涉及一種三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、水凝膠是一種由親水性聚合物通過化學(xué)或物理交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，具有高含水量、生物相容性和環(huán)境響應(yīng)性等特征，在生物醫(yī)學(xué)（如組織工程支架、藥物緩釋載體）、柔性電子器件（如傳感器、可穿戴設(shè)備）及智能材料領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。近年來，開發(fā)兼具高力學(xué)性能與光學(xué)透明性的水凝膠成為材料科學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向，其核心挑戰(zhàn)在于如何協(xié)調(diào)力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制與光學(xué)性能之間的矛盾關(guān)系。

2、當(dāng)前提升水凝膠力學(xué)性能的主流方法可分為四類：鹽析誘導(dǎo)相變、定向拉伸取向、多循環(huán)凍融處理及納米復(fù)合材料策略。鹽析法通過引入高濃度鹽溶液（如硫酸鈉、檸檬酸鈉）促使聚合物鏈脫溶劑化，形成致密交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。但是置于純水環(huán)境中時(shí)，鹽離子擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)解離，鹽析法制備的水凝膠難以在長期水合條件下維持穩(wěn)定性。通過機(jī)械拉伸或反復(fù)凍融可誘導(dǎo)聚合物鏈取向排列，形成各向異性結(jié)構(gòu)，但拉伸形成的微纖結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致光散射。引入納米黏土、纖維素納米晶（cnc）或石墨烯等納米填料可顯著提升水凝膠模量與斷裂能。但高含量納米粒子（例如>5wt%）易發(fā)生團(tuán)聚，形成亞微米級團(tuán)簇，加劇光損耗并引發(fā)力學(xué)性能波動(dòng)。

3、綜上，水凝膠的相關(guān)技術(shù)中尚未實(shí)現(xiàn)水凝膠力學(xué)性能與光學(xué)性能的協(xié)同優(yōu)化。因此，開發(fā)新型制備策略，設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧較高力學(xué)性能和高透明度的水凝膠具有深遠(yuǎn)的實(shí)用意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，為解決相關(guān)技術(shù)以及其他方面的至少一種技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料，包括：海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)、聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)、以及聚丙烯酰胺三級網(wǎng)絡(luò)，其中，海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)和聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)通過氫鍵作用連接，聚丙烯酰胺三級網(wǎng)絡(luò)通過鏈纏結(jié)和氫鍵作用與海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)和聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)連接，在水凝膠中形成均勻互穿的三重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的可見光透光率為45%~90%。

3、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的斷裂伸長率為600%~1100%，三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的拉伸強(qiáng)度為10~45mpa，三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的韌性為20~160mj/m3。

4、在本發(fā)明的另一方面，還提出了一種前述三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的制備方法，包括：將包含聚乙烯醇和海藻酸鈉的鋪展溶液滴加到成型模板上，鋪展溶液超鋪展成膜，海藻酸鈉交聯(lián)形成海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)，得到水凝膠前驅(qū)體，其中，成型模板為浸泡過離子交聯(lián)劑的聚丙烯酰胺水凝膠；再對水凝膠前驅(qū)體進(jìn)行退火處理，使聚乙烯醇產(chǎn)生結(jié)晶域，形成聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)，得到干凝膠；再將干凝膠或者干凝膠浸水后形成的水凝膠浸泡于包含丙烯酰胺單體的浸泡液中，然后對溶脹的水凝膠進(jìn)行光照，使丙烯酰胺單體聚合形成聚丙烯酰胺三級網(wǎng)絡(luò)，聚丙烯酰胺三級網(wǎng)絡(luò)通過鏈纏結(jié)與海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)和聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)連接，得到三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料。

5、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在鋪展溶液中，聚乙烯醇和海藻酸鈉的質(zhì)量比為16:1~4:1。

6、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，離子交聯(lián)劑包括可溶性鈣離子溶液、可溶性鋁離子溶液中的任意一種。

7、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在退火處理中，退火溫度為90-110℃，退火時(shí)間為60-100min。

8、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，浸泡液還包括光引發(fā)劑和去離子水，光引發(fā)劑為2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮。

9、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在浸泡液中，丙烯酰胺單體的質(zhì)量濃度為40wt%~70wt%。

10、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，光照的波長為365nm，光照的時(shí)間為30s~2min。

11、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明提出的三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過“海藻酸鈉-聚乙烯醇-聚丙烯酰胺”三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成了三重均勻互穿的水凝膠網(wǎng)絡(luò)。三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠將（分子內(nèi)和分子間）氫鍵、（海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)的）離子交聯(lián)、（聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)的）結(jié)晶域增強(qiáng)與（聚丙烯酰胺三級網(wǎng)絡(luò)的）鏈纏結(jié)機(jī)制集成于一體，使材料同時(shí)具備高強(qiáng)韌性、高透明度以及優(yōu)異的水下穩(wěn)定性，從分子尺度上實(shí)現(xiàn)了力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制與光學(xué)性能的協(xié)同優(yōu)化，突破了傳統(tǒng)水凝膠強(qiáng)韌性和透明度難以兼得的技術(shù)瓶頸。

技術(shù)特征：

1.一種三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料，其特征在于，所述三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料包括：海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)、聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)、以及聚丙烯酰胺三級網(wǎng)絡(luò)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料，其特征在于，所述三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的可見光透光率為45%~90%。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料，其特征在于，所述三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的斷裂伸長率為600%~1100%，所述三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的拉伸強(qiáng)度為10~45mpa，所述三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的韌性為20~160mj/m3。

4.一種如權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在所述鋪展溶液中，所述聚乙烯醇和所述海藻酸鈉的質(zhì)量比為16:1~4:1。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述離子交聯(lián)劑包括可溶性鈣離子溶液、可溶性鋁離子溶液中的任意一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在所述退火處理中，退火溫度為90-110℃，退火時(shí)間為60-100min。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述浸泡液還包括光引發(fā)劑和去離子水，所述光引發(fā)劑為2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，在所述浸泡液中，所述丙烯酰胺單體的質(zhì)量濃度為40wt%~70wt%。

10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述光照的波長為365nm，所述光照的時(shí)間為30s~2min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料及其制備方法，屬于高分子化合物技術(shù)領(lǐng)域。該三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料包括海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)、聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)、以及聚丙烯酰胺三級網(wǎng)絡(luò)。其中，海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)和聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)通過氫鍵作用連接，聚丙烯酰胺三級網(wǎng)絡(luò)通過鏈纏結(jié)和氫鍵作用與海藻酸鈉一級網(wǎng)絡(luò)和聚乙烯醇二級網(wǎng)絡(luò)連接，在水凝膠中形成均勻互穿的三重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的另一方面還提出了前述三重網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料的制備方法。

技術(shù)研發(fā)人員：趙創(chuàng)奇,尹樹杏,車國俊,丁怡
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15