[发明专利]一种基于海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料的技术范畴，具体涉及一种基于海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的制备方法。

技术背景

水凝胶是一种在其三维聚合物网络结构中含有90%以上水的“软、湿”型功能高分子材料。但是由于大多数水凝胶的力学性能较低，严重制约了其应用范围。通常传统水凝胶的断裂能约为10J/m²，远低于天然组织（软骨约1000J/m²）和天然橡胶（约10000J/m²）的断裂能。具有特殊力学性能的水凝胶（如高压缩强度和高拉伸性能的水凝胶）具有广泛的应用前景，例如可用于人工肌肉、驱动器、传感器、组织工程等。因此设计具有高力学性能的水凝胶对拓展其应用范围具有实际意义。

研究表明将一些不同种类的高分子材料通过适当的制备方法复合，可以得到一些具有优异力学性能的复合水凝胶材料。这些复合水凝胶材料的力学性能并不是构成它们的几类单一高分子材料力学性能的简单加和,而是表现出优异的协同作用。目前具有代表性的高强度水凝胶是具有高压缩强度的聚2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid，简称AMPS)/聚丙烯酰胺(acrylamide，简称AAm)双网络水凝胶和具有高拉伸性能的海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶。Gong J P等通过两步法制备得到了具有两层独立网络结构的高强度双网络水凝胶。该水凝胶以AMPS和AAm分别作为第一层和第二层网络结构的单体，甲叉双丙烯酰胺（N,N’-methylenebis-(acrylamide)，简称MBAA）和α-酮戊二酸分别作为双网络水凝胶的交联剂和光引发剂。第一步，按一定材料用量在紫外光照射下合成PAMPS水凝胶即第一层网络；第二步，将第一步制好的PAMPS水凝胶浸泡在含AAm单体、交联剂MBAA和光引发剂α-酮戊二酸的水溶液里一段时间，取出后再进行紫外光照交联即可得到双网络水凝胶。该双网络水凝胶的压缩强度可达17.2MPa，但拉伸测试时，应变仅达75%即发生断裂（Gong J P,Katsuyama Y,Kurokawa T,Osada Y,2003,15:1155-1158）。Suo Z G等采用一步法合成了具有高拉伸性能的水凝胶。该水凝胶以AAm和天然大分子海藻酸钠为单体，硫酸钙作为海藻酸钠的交联剂，MBAA、过硫酸铵（ammonium persulphate，简称APS）和N,N,N’,N’-4甲基乙二胺（N,N,N’,N’-tetramethylethylenediamine,简称TEMED）分别为丙烯酰胺的交联剂、热引发剂和催化剂，一步制备得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶。具体步骤为：把海藻酸钠和AAm溶解在一定量的去离子水里，再依次把MBAA、APS、硫酸钙和TEMED溶解在上述溶液里，然后把溶液倒进玻璃模具在50℃紫外光交联1h。该水凝胶可拉伸约20倍，但相应的拉伸强度仅约为156kPa(Sun J Y,Zhao X H,Illeperuma W R K,Chaudhuri O,Oh K H,Mooney D J,Vlassak J J,Suo Z G,2012,489:133-136)。上述两种技术都存在一定的缺陷，Gong J P等人制备的高强度双网络水凝胶的韧性较低，Suo Z G等人合成的高拉伸性能水凝胶的拉伸强度比较低。

发明内容

为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种两步法制备基于海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的方法。该方法采取首先制备贯穿有海藻酸钠高分子链的共价交联的聚丙烯酰胺水凝胶，然后将其浸泡在含有非一价阳离子的水溶液中，在浸泡过程中非一价阳离子扩散到水凝胶网络里，通过静电作用交联海藻酸钠，制备得到兼具高强度和高韧性的海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：