CN102827333A

CN102827333A - 高强度硅基水凝胶的合成

Info

Publication number: CN102827333A
Application number: CN2011101571942A
Authority: CN
Inventors: 封顺; 丁春瑞; 徐世美; 郑树民; 程关虎; 王吉德
Original assignee: Xinjiang University
Current assignee: Xinjiang University
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明涉及一种基于以γ-氨丙基三乙氧基硅烷为前驱物用溶胶-凝胶法合成高强度有机无机双网络水凝胶，当饱和吸水量为95.25％、溶胀率为20.04g/g时水凝胶的压缩强度达到950kPa。同时具有很好的耐盐性。

Description

高强度硅基水凝胶的合成

(一)技术领域

本发明涉及一种基于γ-氨丙基三乙氧基硅烷的高强度水凝胶的制备方法。

(二)背景技术

水凝胶(Hydrogel)是一种经适度交联而具有三维网络结构的新型功能高分子材料。它不溶于水，但能显著地溶胀于水中，吸收大量的水，并有很强的保水能力，即使在受压的情况下也不易失水。自20世纪40年代以来，水凝胶由于其特殊的物理化学性质得到了人们的广泛关注，多种具有不同组成、结构和性能的水凝胶已经被合成出来，并应用于生产和生活。传统水凝胶大多以丙烯酸、丙烯酰胺或其衍生物为原料，通过化学交联聚合而得，产品通常耐盐性较差，吸水后凝胶机械性能很差，传统结构的水凝胶往往在较低含水量时具有一定的机械性能，而在较高含水量时(如＞90％)机械强度显著下降，甚至在很小的作用力下就发生碎裂，加之成本较高，很大程度上限制了水凝胶的应用领域。

目前有4种高强度的水凝胶被研制出来，解决了普通水凝胶机械强度不够的缺点，拓宽了水凝胶材料的应用范围。这4种水凝胶分别是拓扑结构凝胶(TG)、纳米结构凝胶(NC)、双网络凝胶(DN)以及大分子微球水凝胶(MMC)(Huang等，“A Novel Hydrogel with High MechanicalStrength：A Macromolecular Microsphere Composite Hydrogel”，《Advanced Materlals》，P1622-1626(2007年))。其中纳米结构凝胶是将纳米尺寸的无机物颗粒分散在水凝胶中形成的复合水凝胶。Haraguchietal等人(“Nanocomposite Hydrogels：A Unique Organic-InorganicNetwork Structure with Extraordinary Mechanical，Optical，and Swelling/De-swelling Properties”，《Advanced Materlals》，P1155-1158(2002年))首先使用乳化剂合成出纳米复合水凝胶。这种方法合成的水凝胶将纳米材料的特性(刚性、尺寸稳定性和热稳定性)与水凝胶的保湿性能相融合，明显改善水凝胶的机械性能。

溶胶-凝胶法(Sol-gel)合成的水凝胶是一类新的水凝胶，兼有无机硅材料的稳定性和有机聚合物的功能性。有机无机双网络水凝胶是一类由有机聚合物网络与无机硅网络相互贯穿形成的水凝胶。溶胶-凝胶法通常涉及到前驱物的使用，包括金属或硅烷氧基化合物，当前驱物与水混合时发生水解，并经初步缩合形成溶胶，之后溶胶粒子的进一步缩合交联得到凝胶。四甲氧基硅烷(TMOS)和四乙氧基硅烷(TEOS)，因为水溶性差和化合物的活性低，常常要使用助溶剂和催化剂。加之与生物高分子不能高度相容，从而限制了其应用。γ-氨丙基三乙氧基硅烷是溶于水的功能化的二氧化硅前驱体，除在酸性水溶液中水解缩合得到二氧化硅外，还能利用-NH₂的活性进行其应用的研究。

本发明在前人的基础上，以γ-氨丙基三乙氧基硅烷为硅源，过硫酸铵为引发剂，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂。通过溶胶-凝胶法制备了有机无机双网络水凝胶，该水凝胶表现出良好的耐压缩性能，当饱和吸水量为95.25％、溶胀率为20.04g/g时水凝胶的压缩强度达到950kPa。同时表现了很好的耐盐性，水凝胶在盐溶液中的溶胀率大于在去离子水中的溶胀率。

(三)发明内容

本发明提供了一种基于γ-氨丙基三乙氧基硅烷为前驱物、溶胶-凝胶法制备高强度有机无机双网络水凝胶的方法。

本发明采用的技术方案：

1.硅溶胶的合成：在冰浴、超声波的条件下，将γ-氨丙基三乙氧基硅烷缓慢滴加到水溶液中，然后在冰浴的条件下超声10-60分钟。

2.有机无机双网络水凝胶的合成：首先用一定的补水量溶解丙烯酰胺，待溶解后，在冰浴超声的条件下加入0-6.8ml的硅溶胶，0.1-1ml的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，超声1-30分钟。分批加入0.5-5ml过硫酸铵溶液。在冰浴的条件下超声1-20分钟即可形成水凝胶。将所合成的水凝胶放置过夜老化。所得的水凝胶浸泡在水中以洗去未反应完的单体及其他可溶成分，乙醇脱水，80℃C下真空干燥，即得到有机无机双网络水凝胶。

(四)附图说明

图1为不同硅溶胶体积的水凝胶红外光谱图。

图2为不同硅溶胶体积的水凝胶应力-应变曲线图。

图3不同硅溶胶体积的水凝胶在不同NaCl浓度下的溶胀率图。

(五)具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白理解，下面通过具体的实施例对本发明进行进一步详细描述：

硅溶胶的制备

实施例1：

在冰浴、超声波的条件下，将5mlγ-氨丙基三乙氧基硅烷缓慢滴加到20ml水溶液中，然后在冰浴的条件下超声10分钟。

实施例2：

在冰浴、超声波的条件下，将10mlγ-氨丙基三乙氧基硅烷缓慢滴加到100ml水溶液中，然后在冰浴的条件下超声60分钟。

高强度有机无机双网络水凝胶的制备

实施例1：

以丙烯酰胺10g为例，硅溶胶体积0ml，补水量14.0ml，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺0.1ml，冰浴的条件下超声20分钟即可形成水凝胶。在饱和含水量的情况下的机械强度为245kPa。

实施例2：

以丙烯酰胺10g为例，硅溶胶体积1.6ml，补水量12.4ml，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺0.4ml。冰浴的条件下超声1分钟即可形成水凝胶。在饱和含水量的情况下的机械强度为446kPa。

实施例3：

以丙烯酰胺10g为例，硅溶胶体积3.2ml，补水量10.8ml，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺0.6ml。冰浴的条件下超声5分钟即可形成水凝胶在饱和含水量的情况下的机械强度为950kPa。

实施例4：

以丙烯酰胺10g为例，硅溶胶体积5.2ml，补水量8.8ml，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺1ml。冰浴的条件下超声5分钟即可形成水凝胶。在饱和含水量的情况下的机械强度为536kPa。

实施例5：

以丙烯酰胺10g为例，硅溶胶体积6.8ml，补水量7.2ml，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺1ml。冰浴的条件下超声10分钟即可形成水凝胶。在饱和含水量的情况下的机械强度为779kPa。

Claims

1.一种高强度高强度硅基水凝胶的合成，其特征在于：以γ-氨丙基三乙氧基硅烷，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和丙烯酰胺为原料；

2.根据权力要求1所述的有机无机双网络水凝胶，其特征在于：包括以下步骤：

1)硅溶胶的合成：在冰浴、超声波的条件下，将γ-氨丙基三乙氧基硅烷缓慢滴加到水溶液中，然后在冰浴的条件下超声10-60分钟。

2)有机无机双网络水凝胶的合成：首先用一定的补水量溶解丙烯酰胺，待溶解后，在冰浴超声的条件下加入0-6.8ml步骤1)中得到的硅溶胶，0.1-1ml的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，超声1-30分钟，分批加入0.5-5ml过硫酸铵溶液。在冰浴的条件下超声1-20分钟即可形成水凝胶。将所合成的水凝胶放置过夜老化。所得的水凝胶浸泡在水中以洗去未反应完的单体及其他可溶成分，乙醇脱水，80℃下真空干燥，即得到有机无机双网络水凝胶。

3.根据权力要求2所述的高强度有机无机双网络水凝胶，其特征在于：采用溶胶-凝胶法制备。

4.根据权力要求2所述的高强度有机无机双网络水凝胶，其特征在于：以γ-氨丙基三乙氧基硅烷为硅源。

5.根据权力要求2所述制备的高强度有机无机双网络水凝胶，其特征在于：第一网络为无机网络；第二网络为丙烯酰胺交联聚合的有机网络。