一种可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法

本发明属于高分子材料制备，涉及一种水凝胶的制备方法，具体涉及一种制备高固含量可磁致变形水凝胶的方法。

背景技术：

1、水凝胶是由具有亲水基团的高分子通过交联得到的具有三维网络结构的聚合物，能够溶胀于水中而不溶解，质地柔软且性状可调，不仅可以配备各种功能，如：磁、光、电、热、湿度、ph等刺激响应，还可以负载不同材料、转载药物等，是柔性驱动器基底的最优选择之一。目前，可组织渗透、无接触式远程时空控制、快速可逆响应的磁响应水凝胶因其独特的性质，在微软体机器人、组织工程、药物或细胞运输及释放、仿生驱动器、环境治理等方面引起了广泛的研究及应用。但是目前存在的大多数磁响应水凝胶普遍存在脆性高韧性小、强度大且断裂延伸率低、固体装载量有限等问题，使得磁性水凝胶柔性制动器的磁响应速度慢，形状转换效率低。因此，从材料与结构上开发出新型敏感的低强度高装载磁响应水凝胶成为柔性智能磁响应驱动器领域发展的重点关注问题。

2、目前，提升磁性水凝胶的力学性能主要有两种途径，一是通过对磁性颗粒表面修饰官能团建立起磁性颗粒与水凝胶基底之间的相互作用；二是在磁性水凝胶中引入另外一个交联体系，构成双网络磁性水凝胶。已有研究人员基于hoffmeister效应和双网络水凝胶的增韧方法，通过离子交联、分子纠缠、纳米颗粒和聚合物网络之间的氢键增强，制备出一种具有超高韧性的fe3o4/cs(壳聚糖)-paam双网络导电磁响应水凝胶，磁性颗粒含量可达43wt％(43％为相对于聚合物和水的总重量，换算一下占整体总质量的30.07％)，制得的水凝胶的模量为1.3mpa，韧性超过54kj/m2，通过施加外磁场可调节凝胶的变形，从而使凝胶具有软磁响应驱动器的功能(mei l,cong j,li s,et al.polyacrylamide-chitosanbased magnetic hydrogels with high stiffness and ultra-toughness[j].composites part a:applied science and manufacturing,2023,168:107478.)。此外，研究人员将3-(三甲氧基硅基)丙基甲基丙烯酸酯包覆的fe3o4纳米颗粒与聚丙烯酰胺水凝胶复合，制得了磁粉含量高达60wt％(相对于聚合物和水的总重量，换算一下占整体总质量的37.5％)且分布均匀，具有相对较高的模量和韧性，对磁场反应也很快的磁响应水凝胶，水凝胶可以粘合到富含羟基的硬表面和软表面，通过对表面涂覆聚二甲基硅氧烷，不仅可以防止磁性颗粒泄露，防脱水，在水下还表现出优异的性能(hu x,nian g,liang x,etal.adhesive toughmagnetic hydrogels with high fe3o4 content[j].)。

3、虽然磁响应水凝胶柔性制动器已取得了显著进展，但是仍存在一些性能提升的困难和挑战。如：实现高固量和固体颗粒在水凝胶中的良好分散的目标往往是相互矛盾的，且随着固含量增加水凝胶的力学性能逐渐变差。

技术实现思路

1、针对现有磁性水凝胶普遍存在脆性高韧性小，强度大且断裂延伸率低，固体装载量有限等问题，本发明提供了一种可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法。该方法简单易行，使用磁性颗粒赋予凝胶磁响应能力，可根据模具的不同构筑出任意形状的水凝胶，并且制备得到的双网络水凝胶机械性能、稳定性好，具有一定的磁响应变形能力。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤一：将聚乙烯醇加到去离子水中，加热溶解，得到质量浓度为3～15％的聚乙烯醇水溶液；

5、步骤二：在步骤一得到的聚乙烯醇水溶液中依次加入丙烯酰胺、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸钾，搅拌得到均匀溶液，其中：丙烯酰胺的加入量为聚乙烯醇重复单元摩尔量的40～100％，n,n’-亚甲基双丙烯酰胺的加入量为丙烯酰胺摩尔量的0.4～1％，过硫酸钾的加入量为丙烯酰胺摩尔量的1～2％；

6、步骤三：向步骤二得到的均匀混合溶液中，边搅拌的同时边滴加硼酸水溶液，得到状态均匀的动态交联水凝胶，其中：硼酸水溶液的浓度为0.01～0.02g/ml，加入量为聚乙烯醇重复单元摩尔量的0.4～2％，搅拌转速为150～250rpm；

7、步骤四：将四氧化三铁固体粉末少量多次分批加入到步骤三得到的动态交联水凝胶中，搅拌均匀后置于真空环境中除泡，得到装载高含量磁性颗粒的动态可逆网络水凝胶，其中：机械搅拌的转速为100～200rpm，四氧化三铁的粒径为50～500nm，其加入量为步骤三所得动态交联水凝胶的10～64wt％；

8、步骤五：将步骤四得到的动态可逆网络水凝胶转移至聚四氟乙烯模具中，置于50～70℃烘箱中进行热引发聚合反应2～6h，得到机械性能、稳定性良好的可磁致变形高固含量水凝胶。

9、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

10、1、本发明构筑的水凝胶具有可高达64％的磁性颗粒装载量，并且水凝胶的结构稳定性良好。

11、2、本发明构筑的水凝胶具有一定的强度和韧性，且同时具有优异的磁响应变形能力。

12、3、本发明构筑的水凝胶性能可调范围大，通过合理设计双网络之间的配比及各物质的含量，可调整凝胶的整体力学性能。

13、4、本发明制备方法简单，同时容易放大规模制备，运行过程具有较强的稳定性，具有实际应用前景和可持续性。

14、5、本发明有望在诸多领域开发出实用价值高的水凝胶材料，包括但不限于高固含量凝胶推进剂、高固含量导电水凝胶、高固含量磁控凝胶等等，展现出重要的应用潜能。

技术特征：

1.一种可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法，其特征在于所述步骤三中，硼酸水溶液的浓度为0.01～0.02g/ml。

3.根据权利要求1所述的可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法，其特征在于所述步骤三中，搅拌转速为150～250rpm。

4.根据权利要求1所述的可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法，其特征在于所述步骤四中，机械搅拌的转速为100～200rpm。

5.根据权利要求1所述的可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法，其特征在于所述步骤四中，四氧化三铁的粒径为50～500nm。

6.根据权利要求1所述的可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法，其特征在于所述步骤五中，烘箱温度为50～70℃。

技术总结本发明公开了一种可磁致变形高固含量水凝胶的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：将聚乙烯醇加到去离子水中，加热溶解，得到聚乙烯醇水溶液；步骤二：在聚乙烯醇水溶液中依次加入丙烯酰胺、N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸钾，搅拌得到均匀溶液；步骤三：向均匀混合溶液中滴加硼酸水溶液，得到动态交联水凝胶；步骤四：将四氧化三铁固体粉末加入到动态交联水凝胶中，搅拌均匀后置于真空环境中除泡，得到动态可逆网络水凝胶；步骤五：将动态可逆网络水凝胶转移至聚四氟乙烯模具中进行热引发聚合反应，得到可磁致变形高固含量水凝胶。该方法简单易行，制备得到的双网络水凝胶机械性能、稳定性好，具有一定的磁响应变形能力。技术研发人员：黄鑫,任玉,刘鹏昌,王晓亮,李彤受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14