一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶及其制备方法与应用。该方法的步骤为：微波法改性木聚糖制备羧甲基木聚糖，用去离子水溶解得羧甲基木聚糖溶液，再加入N‑异丙基丙烯酰胺和交联剂，混合均匀后，再加入引发剂，通N2，加入交联促进剂，交联，用去离子水洗涤润胀水凝胶至平衡；将FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O溶于NaCl溶液中，将羧甲基木聚糖水凝胶放入混合溶液中，通N2；取出变成黄色的水凝胶，将其浸入NH3·H2O中，通N2，得到黑色的水凝胶，洗涤，液氮冷冻干燥，得磁性复合水凝胶。本发明专利技术制备方法工艺易操作，具有环境友好性；所得水凝胶具有良好的磁敏感性和光热性能，可用作磁控定点加热源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天然高分子功能材料制备
，具体涉及一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶及其制备方法与应用。
技术介绍
近年来，可再生木质纤维素类生物质资源的开发和利用得到了人们的极大重视和关注，被认为是解决石化资源日益枯竭和环境问题的有效途径。半纤维素是农林生物质的主要组分之一，其含量仅次于纤维素，是地球上最丰富、最廉价的可再生资源之一。木聚糖是半纤维素主要的结构形式，主要存在于阔叶木和禾本科植物中。四氧化三铁纳米颗粒（IONPs）具有独特的超顺磁特性，被广泛应用在污水处理、分析检测、生物大分子及细胞分离、药物靶向运输及可控释放、肿瘤磁热治疗、磁共振成像等领域。纳米复合水凝胶将纳米材料的优异性质（如，磁性、光热、表面等离子体、催化性等）与智能水凝胶独特的性质（如外界刺激如温度、高含水量、pH诱导的相转变）结合起来，可以赋予复合水凝胶优异的性能。磁性复合水凝胶是将磁性材料载入到水凝胶中而得到的。载入的磁性成分可以对外界的磁场产生响应，增强了其可控性。把磁性复合水凝胶和温度敏感成分结合起来，可以实现磁控定点加热，此外，例如Fe3O4纳米颗粒的载入不仅赋予了复合水凝胶的磁性功能，而且还使水凝胶的颜色发生变化，由无色变成黑丝，这在一定程度上赋予了复合水凝胶的光热性能。这样就可以将磁性和对近红外线（NIR）吸收转热并发生体积相变结合起来，在微流控开关等领域有广泛的应用前景。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种温度快速响应的可用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶。本专利技术的另一目的在于提供上述磁性复合水凝胶的制备方法；本专利技术的再一目的在于提供上述磁性复合水凝胶在磁控定点加热上的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现。一种可用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：（1）将木聚糖粉末溶于超纯水中，水浴中加热溶解；降至室温，加入氢氧化钠溶液；10~30min之后，加入氯乙酸钠溶液和氢氧化钠溶液，在50~80℃下微波反应10~30min；反应完毕，降至室温，中和反应液，乙醇沉淀，离心洗涤，至溶剂的颜色为无色，然后冷冻干燥得到羧甲基木聚糖；（2）将羧甲基木聚糖溶解在0.2~0.4molL-1的NaCl溶液中，10~20℃冰浴；然后加入N-异丙基丙烯酰胺和交联剂，通氮气鼓泡，混合均匀后，加入引发剂，引发5~15min后，加入交联促进剂，在10~20℃下交联6~10h，得羧甲基木聚糖基水凝胶；（3）将FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O溶于蒸馏水中，得铁盐溶液；再将羧甲基木聚糖基水凝胶放入铁盐溶液中浸泡，同时通氮气；取出变成黄色的水凝胶，浸入氨水中，同时通氮气除氧，得到黑色的水凝胶；均匀切片，干燥，所得固体即为用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶，标记为PNIPAM/Fe3O4水凝胶。优选的，步骤（1）所述将木聚糖用热水溶解的具体操作为：将木聚糖加入温度为70~90℃的热水中，搅拌溶解50~90min；优选的，步骤（1）所述木聚糖为山毛榉木聚糖，分子量为Mw=130000g/mol；优选的，步骤（1）所述氢氧化钠溶液是将1g氢氧化钠溶于2mL超纯水配制而成。优选的，步骤（1）中氯乙酸钠：木聚糖木糖单元：氢氧化钠的摩尔比为(2~4)：1：1。优选的，步骤（1）所述中和反应液指用冰醋酸调节pH=7；优选的，步骤（1）所述乙醇沉淀是用3~5倍体积反应液的60~90wt%乙醇沉淀；优选的，步骤（1）所述洗涤用60~90wt%乙醇洗3~5次。优选的，步骤（2）所述在10~20℃条件下反应；优选的，步骤（2）所述的N-异丙基丙烯酰胺在羧甲基木聚糖NaCl溶液中的质量浓度为6~10%。优选的，步骤（2）所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为过硫酸铵（APS）；所述交联促进剂为四甲基二乙胺（TEMED）；优选的，步骤（2）所述交联剂的用量为步骤（2）所述N-异丙基丙烯酰胺质量的5%~10%；优选的，步骤（2）所述羧甲基木聚糖的用量为N-异丙基丙烯酰胺质量的3~9%；优选的，步骤（2）所述引发剂的用量为步骤（2）所述N-异丙基丙烯酰胺质量的5~10%。优选的，步骤（2）所述交联促进剂的用量为步骤（2）所述N-异丙基丙烯酰胺质量的1~3%。优选的，步骤（2）所述通氮气鼓泡的时间为10~30min。优选的，步骤（2）所述引发剂引发时间为5~15min。优选的，步骤（3）所述的FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O的摩尔比为(2~4):1；优选地将FeCl3·6H2O与溶于40mL蒸馏水中。优选的，步骤（3）所述的浸泡于铁盐溶液中的时间为4~8h；步骤（3）所述氨水用量为20~30mL，浓度为25~28wt%；步骤（3）所述通氮气鼓泡的时间为20~40min；优选的，步骤（2）所述干燥样品的方式为液氮冷冻干燥。根据以上所述的制备方法制得的一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶。以上所述的一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶在磁控定点加热中的应用。上述磁性复合水凝胶在磁控定点加热中的应用，具体包括如下步骤：将一小块PNIPAM/Fe3O4水凝胶与0.5mL蒸馏水置于比色皿中，用近红外（NIR）激光辐射定点加热，研究其光热转换行为；此外，将一小块PNIPAM/Fe3O4水凝胶放入充满水的石英管中，并考察在磁铁控制下其光热行为。所得到的磁性复合水凝胶可以对温度快速响应，并且可以用于磁控定点加热。优选的，所述NIR激光波长为808nm，功率为2W。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：（1）本专利技术所述制备的磁性复合水凝胶，使用的原料为生物质，因木聚糖本身具有可生物降解、生物相容性以及特殊的理化性能，是制备水凝胶理想的原料，本专利技术能够扩大木聚糖类型半纤维素的工业应用，为半纤维素的高值化利用提供重要的有效途径。（2）本专利技术通过相分离技术制备的磁性智能水凝胶可以对温度、磁性、光热有多重快速响应。（3）本专利技术所述制备方法工艺易操作，容易实现工艺化，具有环境友好性。附图说明图1为本专利技术的磁性复合水凝胶的磁化曲线图。图2为本专利技术的磁性复合水凝胶浸泡于60℃的去离子水中的去溶胀曲线图。图3为本专利技术的磁性复合水凝胶表面温度随NIR激光开-关变化曲线图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶，其制备步骤如下：称取6g山毛榉木聚糖粉末（Mw=130000g/mol）溶于25mL超纯水中，70℃水浴中加热溶解60min，降至室温，加入1g氢氧化钠（用2mL超纯水溶解），20min之后，加入12g氯乙酸钠（用12mL超纯水溶解）和1g氢氧化钠（用2mL超纯水溶解）。在50℃下微波反应30min，反应完毕，降至室温，用冰醋酸中和至pH=7，用5倍体积的60wt%的乙醇沉淀，然后用60wt%乙醇洗5次，至溶剂的颜色为无色，然后冷冻干燥得到羧甲基木聚糖。称取0.045g羧甲基木聚糖加入25mL0.2molL-1的NaCl溶液，10℃下冰浴，然后加入0.075gN,N-亚甲基双丙烯酰胺和1.5gN-异丙基丙烯酰胺，搅拌10min，同时通N2，然后加入0.075g过硫酸铵(APS)引发5min，加入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将木聚糖粉末溶于超纯水中，水浴中加热溶解；降至室温，加入氢氧化钠溶液；10~30min之后，加入氯乙酸钠溶液和氢氧化钠溶液，在50~80℃下微波反应10~30min；反应完毕，降至室温，中和反应液，乙醇沉淀，离心洗涤至溶剂的颜色为无色，然后冷冻干燥得到羧甲基木聚糖；（2）将羧甲基木聚糖溶解在0.2~0.4mol L‑1的NaCl溶液中，10~20℃冰浴；然后加入N‑异丙基丙烯酰胺和交联剂，通氮气鼓泡，混合均匀后，加入引发剂，引发5~15min后，加入交联促进剂交联于10‑20℃冰浴6~10h，得羧甲基木聚糖基水凝胶；（3）将FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O溶于蒸馏水中，得铁盐溶液；再将羧甲基木聚糖基水凝胶放入铁盐溶液中浸泡，同时通氮气；取出变成黄色的水凝胶，浸入氨水中，同时通氮气鼓泡，得到黑色的水凝胶；均匀切片，干燥，所得固体即为用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶，标记为PNIPAM/Fe3O4水凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将木聚糖粉末溶于超纯水中，水浴中加热溶解；降至室温，加入氢氧化钠溶液；10~30min之后，加入氯乙酸钠溶液和氢氧化钠溶液，在50~80℃下微波反应10~30min；反应完毕，降至室温，中和反应液，乙醇沉淀，离心洗涤至溶剂的颜色为无色，然后冷冻干燥得到羧甲基木聚糖；（2）将羧甲基木聚糖溶解在0.2~0.4molL-1的NaCl溶液中，10~20℃冰浴；然后加入N-异丙基丙烯酰胺和交联剂，通氮气鼓泡，混合均匀后，加入引发剂，引发5~15min后，加入交联促进剂交联于10-20℃冰浴6~10h，得羧甲基木聚糖基水凝胶；（3）将FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O溶于蒸馏水中，得铁盐溶液；再将羧甲基木聚糖基水凝胶放入铁盐溶液中浸泡，同时通氮气；取出变成黄色的水凝胶，浸入氨水中，同时通氮气鼓泡，得到黑色的水凝胶；均匀切片，干燥，所得固体即为用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶，标记为PNIPAM/Fe3O4水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述水浴的温度为70~90℃，水浴中加热溶解的时间为30~60min；所述中和反应液指用冰醋酸调节pH=7；所述乙醇沉淀是用3~5倍体积反应液的60~90wt%乙醇沉淀；所述洗涤用60~90wt%乙醇洗3~5次。3.根据权利要求1所述的一种用于磁控定点加热源的磁性复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中氯乙酸钠：木聚糖木糖单元：氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：任俊莉，代晴晴，孙润仓，陈晓枫，刘传富，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44