[发明专利]一种抗冲击复合水凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种抗冲击复合水凝胶及其制备方法与应用。本发明的抗冲击复合水凝胶包括剪切增稠流体和交联的亲水高分子网络；剪切增稠流体为粘度为10supgt;1/supgt;‑10supgt;3/supgt;Pa·s左右的剪切增稠流体；亲水高分子网络为伸长率＞50％、拉伸强度为0.05‑0.2MPa，不与剪切增稠流体组分进行反应的亲水高分子网络。本发明的抗冲击复合水凝胶不仅具备优异的柔性与生物相容性，同时具备出色的抗冲击性能、频率响应性及高强高韧性，在缓冲减震器件领域有重要的应用前景；制备方法简单，原料成本低。

技术领域

本发明涉及高分子水凝胶技术领域，尤其涉及一种抗冲击复合水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

水凝胶是一种交联的亲水高分子三维网络结构凝胶，具备很多材料所没有的柔软性、拉伸性、粘附性、自愈性，最重要的是生物相容性。正是因为具备这些优异性能，水凝胶广泛应用于传感器、驱动器、电子皮肤等领域。然而，水凝胶同样存在一些缺陷与不足，比如许多水凝胶材料没有足够的高强度高韧性能；网络结构中的水会随着温度的变化发生蒸发或凝固；水凝胶也很难在水下或是湿表面实现粘附。

在高强韧水凝胶方面，已经有许多成熟的技术可优化机械性能，比如通过引入多个网络形成双网络甚至是多网络水凝胶，将纳米颗粒接枝到凝胶网络中，或者是利用金属的络合作用提高凝胶网络的交联密度，从而提高其强度等等。但这些方法所得到的水凝胶高强韧都是在低频下实现的，在高频冲击下的特性是未知的。但是，我们不能仅仅把思维禁锢在稳态载荷下的机械性能优化，水凝胶材料在高频下的高强高韧也是不容忽视的。在日常生活中，一些柔性器件也会受到高速冲击或高频载荷，比如残障人士的义肢与人体接触的缓冲垫、防震减震材料等等，许多领域都有可能需要这样的材料性能。

剪切增稠流体(STF,shear thickening fluid)是一种致密的胶体悬浮液，属于非牛顿流体的一种，主要由分散介质和分散相纳米颗粒组成。由于在不同剪切速率下，纳米颗粒在分散相中的分散状态会发生变化，高剪切速率下会形成一个又一个的粒子簇，使得STF具有独特的剪切速率-粘度曲线，换而言之，即频率响应性。当剪切速率较小时，其表现为具有较低粘度的液体；当剪切速率超过临界值时，STF的粘度急剧增加，即剪切增稠。最直观的表现就是，当高速冲击STF时，STF能实现从液相到类固相的转换，变得坚硬。STF正是凭借这样的性能备受关注，尤其是在防弹衣、防刺衣、防弹装甲等领域。但迄今为止，还没有研究人员将STF应用于水凝胶乃至柔性材料的研究领域。现有剪切增稠水凝胶的研究是在探索粘度、对于外部环境的响应性，并未研究剪切增稠水凝胶的抗冲击性能和水凝胶模量的频率响应性。目前，更多的研究是将弹性体作为柔性基底，而弹性体的模量远大于水凝胶，缺少优越的柔软性，将其与人体直接接触时缺少舒适的触感。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种抗冲击复合水凝胶。

本发明的另一目的在于提供上述抗冲击复合水凝胶的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述抗冲击复合水凝胶的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种抗冲击复合水凝胶，包括剪切增稠流体和交联的亲水高分子网络。

优选地，所述剪切增稠流体为粘度为10¹-10³Pa·s左右的剪切增稠流体。

优选地，所述亲水高分子网络为伸长率＞50％、拉伸强度为0.05-0.2MPa，不与剪切增稠流体组分进行反应的亲水高分子网络。

优选地，所述抗冲击复合水凝胶中，剪切增稠流体的重量百分数为9％-41％；更优选地，剪切增稠流体的重量百分数为33％。