CN112279947B - 一种利用过渡金属和维生素c双催化体系合成的凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。本发明提供的方法通过过渡金属盐和维生素C的双催化体系引发丙烯酸单体的快速聚合，同时采用甜菜碱和醇类化合物组成的低共熔溶剂，使得凝胶在极端温度(低温和高温)条件下良好的导电性。实验结果表明：DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm‑1至1.3Sm‑1。

Description

一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制 备方法
技术领域
本发明属于凝胶技术领域，尤其涉及一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法。
背景技术
由于可拉伸和导电水凝胶在组织工程，传感和可穿戴电子产品中的应用，得到了快速发展。但是，由于水的凝固和蒸发，大多数水凝胶无法在低温或高温下工作，传统的改进策略涉及使用化学交联剂和有毒的有机溶剂，在紫外线或高温条件下进行聚合，这既复杂又费时，限制了水凝胶的大规模应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法，该方法制备的凝胶能在极端温度下具有良好的导电性。
本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：
a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；
b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。
优选地，所述步骤a)中低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C的质量比为9.6～9.8：0.28～0.32：0.01。
优选地，所述步骤b)中反应的温度为0～30℃，时间为1～3min。
优选地，所述步骤a)中过渡金属盐选自氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化锌、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。
优选地，所述步骤a)中醇类化合物选自乙二醇和/或甘油。
优选地，所述步骤a)中甜菜碱和醇类化合物的摩尔比为1：2.5～3.5。
优选地，所述步骤b)中丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比为2.7mL：(0.038～0.042)g：(1～2)g:(0.25～2)mL:(5～6)g。
本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶，由上述技术方案所述制备方法制得。
本发明提供的方法通过过渡金属盐和维生素C的双催化体系引发丙烯酸单体的快速聚合，同时采用甜菜碱和醇类化合物组成的低共熔溶剂，使得凝胶在极端温度(低温和高温)条件下良好的导电性。实验结果表明：DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm-1至1.3S m-1。
附图说明
图1为本发明实施例1制备凝胶过程的机理图；
图2为本发明实施例1制备得到的凝胶在不同温度下的电导率图；
图3为本发明实施例1制备凝胶在传感方面的应用图。
具体实施方式
本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：
a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；
b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。
本发明将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物。
在本发明中，所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；所述醇类化合物优选选自乙二醇和/或甘油。所述甜菜碱和醇类化合物的摩尔比优选为1：2.5～3.5，更优选为1：3。
所述低共熔溶剂按照以下方法制得:
将甜菜碱和醇类化合物混合后在连续搅拌并加热的条件下,形成透明溶液,得到低共熔溶剂。
所述醇类化合物选自乙二醇和/或甘油。所述甜菜碱和醇类化合物混合的温度优选为58～63℃，更优选为60℃；搅拌时间优选至形成透明溶液，优选为10～20min。
在本发明中，所述步骤a)中低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C(VC)的质量比优选为9.6～9.8：0.28～0.32：0.01，更优选为9.7：0.3：0.01。
所述步骤a)中过渡金属盐选自氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化锌、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。
得到溶液A后，本发明将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。
所述引发剂优选为过硫酸铵。
所述步骤b)中丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比优选为2.7mL：(0.038～0.042)g：(1～2)g:(0.25～2)mL:(5～6)g，更优选为2.7mL：0.04g：(1～2)g:(0.25～2)mL:(5～6)g；具体实施例中，所述丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比为2.7mL:0.04g:1g:0.25mL:6g；或2.7mL：0.04g：1.5g：0.25mL:5.5g；或2.7mL：0.04g：2.0g：0.25mL：5g；或2.7mL:0.04g:2g:0.25mL:5g；或2.7mL：0.04g：1.0g：1mL：6g；或2.7mL：0.04g：1.0g：2mL：6g。
在本发明中，丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合后反应的温度为0～30℃，时间为1～3min。本发明优选在冰浴条件下进行反应，得到凝胶。
在本发明中，不同的过渡金属盐，例如CoCl2，NiCl2，ZnCl2和不同的DES，例如甜菜碱和甘油，也会形成DES凝胶。在加入过硫酸铵后，在DES中均匀分散的丙烯酸将在1分钟内聚合并通过金属离子交联，其余离子均匀分散在凝胶中，提供导电的离子。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
1)DES的制备：通过将甜菜碱和乙二醇以1:3的摩尔比简单混合，并在连续搅拌下于60℃加热混合物直至形成透明溶液，然后将其储存在干燥器备用。
(2)凝胶的制备：首先，向9.7g DES中添加0.3g FeCl3和0.01g VC形成均匀溶液，并将其储存备用(溶液A)；然后将0.04g过硫酸铵溶解在不同体积的水中，并将其储存备用(溶液B)；最后，在冰浴中搅拌下将丙烯酸、溶液A和溶液B加入到DES中，搅拌后，单体聚合成凝胶。
为方便表述，将DES凝胶命名为Gel-xFe3+/yH2O，其中x和y分别代表Fe3+和H2O的质量分数。以Gel-0.3Fe3+/2.5H2O和Gel-0.3Fe3+/9.3H2O为例，分别将0.04g过硫酸铵溶解于0.25ml和1ml H2O后(溶液B)，在冰浴中搅拌下将2.7ml丙烯酸和1g溶液A，6g DES，溶液B混合，即可制备Gel-0.3Fe3+/2.5H2O和Gel-0.3Fe3+/9.3H2O。
表1中列出了详细信息：
表1 DES凝胶中不同成分的含量
Figure BDA0002768587460000041
图1为实施例1制备凝胶过程的机理，以氯化铁为例，维生素C和Fe3+会发生氧化还原反应，产生醌基自由基和Fe2+，它将引发过硫酸铵的分解以连续产生自由基，然后触发丙烯酸的聚合。
实施例2
本实施例测试实施例1制备的凝胶在不同温度下的导电率，如图2所示，DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm-1至1.3S m-1。测试结果曲线图表明随着温度的升高，导电率显著提高。水含量和铁含量越多，凝胶的导电率越大。
实施例3
本实施例测试实施例1制备的凝胶在传感方面的应用，如图3所示，将凝胶附着在手指上后，随着手指的弯曲及伸展，电流也会随之发生相应的变化。
由以上实施例可知，本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。本发明提供的方法通过过渡金属盐和维生素C的双催化体系引发丙烯酸单体的快速聚合，同时采用甜菜碱和醇类化合物组成的低共熔溶剂，使得凝胶在极端温度(低温和高温)条件下良好的导电性。实验结果表明：DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm-1至1.3S m-1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：
a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；所述步骤a)中低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C的质量比为9.6～9.8：0.28～0.32：0.01；所述步骤a)中醇类化合物选自乙二醇和/或甘油；所述步骤a)中甜菜碱和醇类化合物的摩尔比为1：2.5～3.5；
b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶；所述步骤b)中反应的温度为0～30℃，时间为1～3min；
所述步骤b)中丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量和低共熔溶剂的质量比为2.7mL：(0.038～0.042)g：(1～2)g:(5～6)g。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中过渡金属盐选自氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化锌、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。
3.一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶，由权利要求1～2任一项所述制备方法制得。
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