一种高强度形状记忆水凝胶及其制备方法

1.本发明属于化学材料技术领域，涉及一种基于高强度形状记忆水凝胶的制备方法。


背景技术：

2.生物质是指可再生或可循环的有机物质，包括所有动物，植物和微生物，以及这些生物代谢和排泄产生的所有有机物质。生物质可再生资源包括明胶、甲壳素、木质素、淀粉、纤维素、半纤维素、壳聚糖、蛋白质等，由于这些材料来料广泛并且具有良好的生物可降解性能和生物相容性，由这些可再生的天然高分子原料可以用来制备新型生物质基水凝胶。glasser等人将纤维素/licl/dmac溶液滴加到纤维素非溶解体系（如甲醇、异丙醇等有机溶液）中来制备一种球状纤维素水凝胶。
3.明胶（gelatin）是由动物的一些结缔组织（皮肤、肌膜、骨等）中的胶原蛋白经过降解而成的一种白色或者淡黄色、半透明、微带光泽的粉粒。会在冷水中吸水膨胀，而在热水中会溶解为透明的黄色液体，溶于醋酸和甘油，不溶于乙醇和乙醚等有机溶液，无味，无臭。明胶80%以上的含量为蛋白质，属于一种大分子亲水胶体。明胶被广泛运用到医药、食品和化工产业中。
4.水凝胶（hydrogel）是凝胶的一种，以水为分散介质。在具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分亲水基团和疏水基团，亲水基团与外界引入的水分子进行结合，将水分子包裹在其网状结构内部，而疏水基团遇水膨胀的交联聚合物，是一种高分子网络体系，外表光滑，性能柔软，可以保持一定的形状，能吸收大量的水并润涨。人工合成的水凝胶一般存在凝胶韧性差、机械强度弱和吸水速度缓慢等缺点，无法满足使用的要求，在应用方面前景不佳。研究者针对提高水凝胶的力学性能开展了大量的研究工作，开发了几类具有优异机械性能的新型凝胶，如大分子微球复合水凝胶、疏水缔合凝胶、双网络结构水凝胶、拓扑型水凝胶、均一链结构水凝胶、和复合水凝胶等，其中复合水凝胶，由于具有机械强度高、复合方式多样、原料较为易得而受到研究人员的广泛关注。
5.由于现在传统水凝胶由于内部缺乏能量耗散机制，导致力学性能较弱，并且缺乏特定的功能，限制了实际上的使用，利用明胶可赋予水凝胶一种双网络结构，加强其力学性能与机械强度。另外，明胶是含量的80％以上是由蛋白质组成，还可以利用盐析的原理来使其更加致密，提高其性能，并且盐析过程是可逆的，还可以赋予这种复合水凝胶形状记忆功能。所以，进行这一研究有助于探索新型材料复合水凝胶的新的方向，在未来应用方面，明胶/聚丙烯酰胺体系复合水凝胶也可广泛运用到医疗、工农业、智能化穿戴设备等领域。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于提供一种基于高强度形状记忆水凝胶的制备方法。该发明采用“浸泡法”制备出的水凝胶具有良好的力学性能以及形状记忆性能。
7.为达上述目的，本发明提供了一种高压缩强度形状记忆水凝胶的制备方法，包括
以下步骤：步骤1：将明胶颗粒、丙烯酰胺粉末，加热搅拌至充分溶解后，加入n,n
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亚甲基双丙烯酰胺溶液以及过硫酸钾溶液，磁力搅拌均匀后将混合液体倒入装有硅胶片的玻璃板内，在50℃烘箱中放置6 h，然后放入冰箱冷藏12 h后取出，打开玻璃板即可得到明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶；步骤2：将步骤1所得明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶在一定浓度的盐溶液浸泡一段时间，得到高强度形状记忆水凝胶。将得到的高强度形状记忆水凝胶浸泡在去离子水中，能够恢复原始状态。
8.作为优选，步骤2中，盐溶液为硫酸铵溶液；作为优选，步骤2中，盐溶液的浓度为饱和盐溶液；作为优选，步骤2中，浸泡时间为48 h。
9.与现有技术相比，本发明具有以下优点：其一，明胶易获得，易制作，易处理，无污染，同时自身物理特性和力学性能也较传统水凝胶更为突出，经过浸泡硫酸铵溶液处理后的明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶在力学性能方面又得到了很大强化提升。浸泡在饱和硫酸铵溶液中48 h后，水凝胶的拉伸应力可达3.6 mpa。
10.其二，将明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶浸泡在盐溶液中，可使其具有良好的形状记忆功能，浸泡在浓度为35%的硫酸铵溶液中的水凝胶，其形状记忆率可达98%。
11.其三，形状记忆过程可逆，将得到的高强度形状记忆水凝胶浸泡在去离子水中，可自行恢复至初始状态。
附图说明
12.图1：为不同明胶含量的复合水凝胶浸泡饱和硫酸铵溶液前后的应力-应变图。
13.图2：为9 g明胶含量的复合水凝胶浸泡不同浓度硫酸铵溶液的应力-应变图。
14.图3：为复合水凝胶扭转5圈浸泡不同浓度硫酸铵溶液20 min后的形状记忆图。
15.图4：为复合水凝胶扭转5圈浸泡饱和硫酸铵溶液不同时间后的形状记忆图。
具体实施方式实施例1
16.基于高强度形状记忆水凝胶的制备：首先制备明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶：在烧杯中称量28.3 g去离子水，加入9 g的明胶颗粒，放入47℃油浴锅中加热搅拌20 min，溶液呈黄色透明，无明胶固体存在，加入7.5 g丙烯酰胺粉末，搅拌10 min充分溶解后，缓慢滴加20 mg/ml浓度的n,n
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双甲基丙烯酰胺溶液80 μl，搅拌2 min后继续加入40 mg/ml的过硫酸钾溶液1.7 ml，磁力搅拌2 min后将混合液体倒入装有硅胶片的玻璃板内，在50℃中放置6 h，然后放入冰箱冷藏12 h后取出，使其充分聚合，打开玻璃板即可得到明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶。然后将得到的明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶浸泡在饱和硫酸铵溶液中48 h，得到高强度形状记忆水凝胶。
实施例2
17.基于高强度形状记忆水凝胶的制备：首先制备明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶：在烧杯中称量28.3 g去离子水，加入3 g的明胶颗粒，放入47℃油浴锅中加热搅拌20 min，溶液呈黄色透明，无明胶固体存在，加入7.5 g丙烯酰胺粉末，搅拌10 min充分溶解后，缓慢滴加20 mg/ml浓度的n,n
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双甲基丙烯酰胺溶液80μl，搅拌2 min后继续加入40 mg/ml的过硫酸钾溶液1.7 ml，磁力搅拌2 min后将混合液体倒入装有硅胶片的玻璃板内，在50℃中放置6 h，然后放入冰箱冷藏12 h后取出，使其充分聚合，打开玻璃板即可得到明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶。然后将得到的明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶浸泡在饱和硫酸铵溶液中48 h，得到高强度形状记忆水凝胶。
实施例3
18.基于高强度形状记忆水凝胶的制备：首先制备明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶：在烧杯中称量28.3 g去离子水，加入9 g的明胶颗粒，放入47℃油浴锅中加热搅拌20 min，溶液呈黄色透明，无明胶固体存在，加入7.5 g丙烯酰胺粉末，搅拌10 min充分溶解后，缓慢滴加20 mg/ml浓度的n,n
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双甲基丙烯酰胺溶液80μl，搅拌2 min后继续加入40 mg/ml的过硫酸钾溶液1.7 ml，磁力搅拌2 min后将混合液体倒入装有硅胶片的玻璃板内，在50℃中放置6 h，然后放入冰箱冷藏12 h后取出，使其充分聚合，打开玻璃板即可得到明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶。然后将得到的明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶浸泡在饱和硫酸铵溶液中0.25 h，得到高强度形状记忆水凝胶。
实施例4
19.基于高强度形状记忆水凝胶的制备：首先制备明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶：在烧杯中称量28.3 g去离子水，加入9 g的明胶颗粒，放入47℃油浴锅中加热搅拌20 min，溶液呈黄色透明，无明胶固体存在，加入7.5 g丙烯酰胺粉末，搅拌10 min充分溶解后，缓慢滴加20 mg/ml浓度的n,n
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双甲基丙烯酰胺溶液80μl，搅拌2 min后继续加入40 mg/ml的过硫酸钾溶液1.7 ml，磁力搅拌2 min后将混合液体倒入装有硅胶片的玻璃板内，在50℃中放置6 h，然后放入冰箱冷藏12 h后取出，使其充分聚合，打开玻璃板即可得到明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶。然后将得到的明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶浸泡在35%浓度的硫酸铵溶液中48 h，得到高强度形状记忆水凝胶。

技术特征：
1.一种高强度形状记忆水凝胶及其制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：将明胶颗粒、丙烯酰胺粉末加入到去离子水中，加热搅拌至充分溶解，加入n,n
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亚甲基双丙烯酰胺溶液以及过硫酸钾溶液，磁力搅拌均匀后将混合液倒入装有硅胶片的玻璃板内，在50℃烘箱中放置6h，然后放入冰箱冷藏12h后取出，打开玻璃板即可得到明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶；步骤2：将步骤1所得明胶/聚丙烯酰胺复合水凝胶在一定浓度的盐溶液中浸泡一段时间，得到高强度形状记忆水凝胶。将得到的高强度形状记忆水凝胶浸泡于去离子水中，其仍能够恢复到原始状态。。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤2所述盐溶液包括硫酸铵溶液、硫酸钠溶液、碳酸钠溶液、碳酸钾溶液中的一种或多种。3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤2所述盐溶液的浓度为5%~35%，以及饱和盐溶液。4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤2所述浸泡时间为0.01h~48h。5.权利要求1~5之一所述的制备方法制备得到高强度形状记忆水凝胶。

技术总结
本发明公开了一种基于明胶/聚丙烯酰胺的高强度形状记忆水凝胶及其制备方法。第一步：将明胶、丙烯酰胺粉末加入到去离子水中，搅拌至溶解后，将N,N


技术研发人员：陈威 李金灿 李楠 邱迎轩 邱丽媛
受保护的技术使用者：曲阜师范大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/14