[发明专利]一种制备氧化石墨烯增强磁性水凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，提供了一种制备氧化石墨烯增强磁性水凝胶的方法。

背景技术

水凝胶是由三维网络结构的高分子和充塞在高分子网链间隙中的水分子介质构成的。水凝胶材料以其含水量高、柔软、具有橡胶般的粘稠性和良好的生物相容性广泛地应用于医药、医疗、人工器官、生理、环保等方面，由于其巨大的应用前景,越来越多地受到人们的青睐。世界各地对水凝胶的研究和应用开发呈现出一派欣欣向荣的景象。近些年，随着水凝胶的不断发展，人们将无机纳米材料添加入水凝胶中，不但可以提高水凝胶的机械强度，同时还能赋予凝胶特殊的新性能，如：电响应性能、紫外吸收性能、磁敏感性能等（参见《化学进展》，2009,21，1008-1014）。

磁场敏感性水凝胶(ferrogel或magnetic-field-sensitive hydrogel)是指对磁场具有响应特性的一类环境敏感性水凝胶。一般是由聚合物基质和功能组分所构成的。赋予水凝胶磁场响应特性的功能组分多为无机磁性粒子,最常见的有Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃等金属氧化物以及CoFe₂O₄等铁酸盐类物质。其中,Fe₃O₄由于具有价廉易得、无毒等优点,是目前最常用的磁性组分。

构成水凝胶的聚合物的种类,磁性粒子的种类、粒径大小及其在体系中的含量等对复合水凝胶的性质都有非常大的影响。若磁性组分具有超顺磁性,复合凝胶也可表现出超顺磁性,即在磁场作用下具有较强的磁性,撤除磁场后其磁性很快消失,不会被永久磁化;若凝胶中的磁性粒子不具有超顺磁性,复合凝胶则具有永磁体的特性。由于磁场敏感性水凝胶能够对外加磁场产生响应,而且具有独特的柔韧性和渗透性,在药物控制释放、人工肌肉、蛋白质分离和酶的固定等方面有着广阔的应用前景,因而近年来对它的研究和开发工作异常活跃,成为当前的一个研究热点。然而目前现有的水凝胶材料存在着冲击强度低,应力下易断裂等缺点,所以提高分子凝胶的力学性能尤为重要。

石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子排列成的二维结构，与石墨的单原子层类似，又名“单层石墨片”。微观上，所不同的是单层石墨烯薄膜并非二维的扁平结构，而是具有“纳米尺度上”稳定的微波状的单层结构，是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体。宏观上，可认为石墨烯可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，是构成sp2杂化碳材料的基本单元。

石墨烯是人类已知强度最高的物质，由于石墨烯由单原子层构成，其比表面积极其大，理论计算值高达2600m²/g。研究人员使用原子尺寸的金属和钻石探针对石墨烯进行穿刺，测试其强度，让科学家震惊的是，石墨烯的强度高达130GPa，比世界上最好的钢铁还高100倍，比高强碳纤维还高20倍。哥伦比亚大学的研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100nm距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9μN。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55N的压力才能使1m长的石墨烯断裂。石墨烯由于其优秀的力学、量子和电性能早在2004年就被第一次提出并在材料科学、物理化学等领域得到广泛的研究。

氧化石墨烯是一种改进形式的石墨烯，其合成方法工艺成熟，很容易获得大量廉价的氧化石墨烯，氧化石墨烯轻且具有较高的力学性能和热稳定性，因此氧化石墨烯是一种可以增强电学、力学、热学性能的高效填料。

发明内容

本发明专利的目的在于利用冷冻-熔融法制备氧化石墨烯(GO)、四氧化三铁（Fe₃O₄）、聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶，以解决聚乙烯醇水凝胶在应用过程中的力学强度低的问题，以期提高其机械性能。

为此，本发明公开了一种制备氧化石墨烯增强磁性水凝胶的方法，所述的氧化石墨烯增强磁性水凝胶成份包括：氧化石墨烯、四氧化三铁以及聚乙烯醇，所述方法包括以下步骤：

步骤1，按照1克聚乙烯醇比5毫升超纯水的比例，将聚乙烯醇和超纯水放入容器中缓慢搅拌并加热10分钟；

步骤2，将熔融状态下聚乙烯醇转移到-20℃的环境下冷冻21小时；

步骤3，将冷冻后的聚乙烯醇解冻3小时；

步骤4，重复步骤1-3两次后，进入步骤5；

步骤5，将氧化石墨烯和四氧化三铁添加到经过三次解冻后的聚乙烯醇中。