[发明专利]一种制备复合结构冰冻凝胶的方法及其产物和应用

说明书

本发明涉及一种制备复合结构冰冻凝胶的方法，包括如下步骤：将海藻酸钠、丙烯酰胺和去离子水混合，加入四甲基乙二胺，配制溶液A；将过硫酸铵水溶液、N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺水溶液和硫酸钙浊液混合，配制溶液B；将溶液A和溶液B混合，制得凝胶；将凝胶铸模成型制得具有中空结构的凝胶，速冻成型制得复合结构冰冻凝胶或将凝胶速冻成型，然后镂空制得中空结构，即得复合结构冰冻凝胶。本发明还涉及复合结构冰冻凝胶，以及通过界面熔合搭建各种需求的复合结构冰冻凝胶和用于干凝胶溶胀的应用。该技术方案制备工艺简单，结构可控，易于成型，成本低廉。

技术领域

本发明涉及凝胶的制备和应用领域，具体涉及一种制备复合结构冰冻凝胶的方法及其产物和应用。

背景技术

凝胶材料由三维的高分子网络填充大量的各类溶剂(如水、有机溶剂、气体等)形成。在我们的生活中，凝胶材料已经得到了广泛的应用，如食物、隐形眼镜、超吸水尿布等。具有高性能的凝胶复合材料多年来一直是一个热门的研究领域。在凝胶的各类体系中，水凝胶体系由于其良好的力学性能、简易的制备流程以及低廉的生产成本，在生产应用中具有极大的开发潜力。如文献“High stretchable and tough hydrogels”(Nature 2012)报道了一种由海藻酸和聚丙烯酰胺组成的混合网络水凝胶，这种水凝胶材料的两种高分子网络分别是一种离子交联的刚性高分子网络和一种化学键交联的柔性高分子网络，通过两种高分子网络力学性能互补的方式来制备水凝胶，达到了加强水凝胶力学性能的目的。该凝胶的断裂能达9000J/m²，远高于普通水凝胶的10J/m²。

水凝胶材料中除原有的高分子网络之外，还能掺杂溶解更多的复合材料增强相，如高性能纤维或颗粒，以此提供可控的性能增。文献“Tough Photoluminescent HydrogelDoped with Lanthanide”报道了一种掺杂镧系元素而可以产生光致发光的韧性水凝胶。文献“An anisotropic hydrogel with electrostatic repulsion between cofaciallyaligned nanosheets”(Nature 2015)报道了一种由钛纳米片复合形成的各向异性凝胶材料，其中钛纳米片有外加磁场使其产生规律的排布，从而让凝胶从不同方向观察透光率不同，且各个方向的模量也不同。

具有三维结构的聚合物凝胶和亲水性水凝胶有许多作为基质的重要应用，例如用于生物医药、制药、农业、生物技术和工业复合材料领域。这些聚合物凝胶和水凝胶由于交联具有三维(3D)结构。中国发明专利公开号为104995237的“多孔凝胶剂其应用”，提出一种具有三维结构的聚合物凝胶多孔结构及其应用，描述了孔隙率至少约5％的水凝胶，包括第一聚合物材料，第一聚合物材料包括一衍生自带有乙烯基团的单体的聚合物；包括除聚乙二醇外的聚二醇的第二聚合物材料。

冰冻聚合是一种简单有效的方法，只需改变聚合反应温度，而无需引入其它组分，也不需要经过特殊的后期处理。公开号为103203226的中国发明专利“石墨粉-丁基橡胶复合冷冻凝胶吸油材料及其制备方法”提出一种冷冻后，通过石墨粉吸收油脂的多孔凝胶应用。冰冻聚合法，例如文献Polymer,2002,43:5181-5186和Macromol Chem Phys 1999,200:2602-2605等报道，在低于溶剂(水)熔点的温度聚合制备水凝胶，由于部分溶剂结晶产生细小颗粒，起到了类似于致孔剂的作用；当聚合反应结束后，这些小晶粒熔融，形成多孔结构而提高水凝胶响应速率。

中国发明专利公开号为CN103102441A，公开了一种快速温度响应和高力学性能纳米复合水凝胶的制备方法，得到的凝胶需要在液氮中急冻10～40s，然后将反应液体置于-8～-28℃下进行聚合反应，该方法需要反应体系先在液氮急冻再冰冻聚合的两步法步骤较为复杂。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种制备复合结构冰冻凝胶的方法，制备工艺简单，结构可控，易于成型，成本低廉。