一种超吸水水凝胶材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及高分子水凝胶技术领域，提出一种超吸水水凝胶材料及其制备方法和应用，该水凝胶材料由以下组分反应获得，所述组分包括：纳米氢氧化钙、第一聚合物单体、第二聚合物单体、引发剂、催化剂和pH调节剂；第一聚合物单体包括丙烯酸盐和聚乙烯醇中的至少一种；第二聚合物单体包括2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸、N‑羟甲基丙烯酰胺和N‑异丙基丙烯酰胺中的至少一种。在去离子水和NaCl溶液中表现出显著的吸水能力和对MB的高吸附性能。其制备方法简单，原料来源便宜，制备获得的超吸水水凝胶材料可广泛应用于农业、园艺、卫生产品、废水处理等各个领域。

A superabsorbent hydrogel material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种超吸水水凝胶材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及高分子水凝胶
，具体而言，涉及一种超吸水水凝胶材料及其制备方法和应用。
技术介绍
超吸水性水凝胶(SAHs)是指交联的三维亲水网络聚合物，它能够在不溶解的情况下吸收和保留大量的水。吸水能力是SAHs的最优特性之一，这使其在农业、园艺和废水处理等各个领域具有潜在的应用。然而，据我们所知，迄今为止报道的最高吸水率(SR)仅达到其原始干重的四千倍，这极大地限制了它们的实际应用。因此，设计具有超强吸水能力的SAHs对更广泛的应用具有重要意义。在已有报道的水凝胶骨架中，常常观察到蜂窝状或网状结构。目前的吸水材料存在吸水率较低和吸水速率慢的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超吸水水凝胶材料，其吸水率和吸水速度得到较大提升。本专利技术的另一目的在于提供一种上述超吸水水凝胶材料的制备方法，该制备方法可以获得较高吸水率和较高吸水速度的超吸水水凝胶材料。本专利技术的实施例是这样实现的：一种超吸水水凝胶材料，其由以下组分反应获得，组分包括：纳米氢氧化钙、第一聚合物单体、第二聚合物单体、引发剂、催化剂和pH调节剂；第一聚合物单体包括丙烯酸盐和聚乙烯醇中的至少一种；第二聚合物单体包括2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N-羟甲基丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺中的至少一种。一种超吸水水凝胶材料的制备方法，其包括：在纳米氢氧化钙的水溶液中加入第一聚合物单体、第二聚合物单体和pH调节剂，搅拌，接着加入引发剂和催化剂，继续搅拌，获得混合液，然后对混合液进行保存2-5天。本专利技术实施例的有益效果例如包括：本实施例中，采用纳米氢氧化钙作为交联剂，其能够与第一聚合物单体交联，而不与第二聚合物单体交联，未交联的第二聚合物单体可以通过聚合的方式连接至第一聚合物单体上，从而未交联的第二聚合物单体构成了绒毛结构，即获得了类似小肠绒毛结构的超吸水水凝胶材料。极大的增加了水凝胶材料的内表面积，水凝胶的吸水率和吸水速度得到极大提升。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本实施例1提供的纳米氢氧化钙(CNS)的TEM图；图2为本实施例1提供的水凝胶的SEM图；图3为图2中水凝胶SEM的放大图；图4为是图3中方框中SEM放大图；图5为实施例1中水凝胶的FTIR图；图6为实验例一中干凝胶的溶胀示意图；图7为实验例一中干凝胶在不同pH条件下的溶胀曲线图；图8为实验例一中干凝胶在不同pH条件下的Zetapotential图；图9为实验例一中干凝胶在不同温度条件下的溶胀直方图；图10为实验例一中溶胀水凝胶在25℃下保水性能曲线图；图11为本实施例1提供的蜂窝结构水凝胶SEM图；图12为本实施例1提供的网状结构水凝胶SEM图；图13为实验例二中水凝胶在不同盐溶液里溶胀直方图；图14为实验例三中水凝胶对亚甲基蓝的饱和吸附容量曲线图。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。模拟自然界来设计和开发期望的功能性水凝胶是近年来聚合物水凝胶领域的研究热点。通过富集具有诸如温度、力或pH敏感性和自愈特性等独特功能的水凝胶，这种水凝胶有广阔的应用前景，包括农业、生物医疗设备、药物输送和废水处理。例如，受章鱼等动物能够将体色调谐到伪装的灵感，Ma(Adv.Funct.Mater.,2018,28,1704568-1704574)将热响应性氧化石墨烯-聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶层与pH响应性结合起来开发了一种新的宏观各向异性双层水凝胶驱动器，具有可控式荧光变色功能；受人体皮肤或骨骼受到损伤或伤害时具有自主自愈能力的激发，Yang(Adv.Funct.Mater.,2017,27,1703174-703183)探索了纤维素基自愈水凝胶，用于控制释放和3D细胞培养的凝胶。研究人员总是能从大自然中得到灵感，去探索聚合物水凝胶的效用和功能。众所周知，为了扩大小肠对各种营养素的吸收，小肠壁表面长有很多小肠绒毛，其中绒毛结构可以使小肠的内表面积增加600倍。因此，由于小肠绒毛的存在，小肠的吸收效率很高。受小肠绒毛对于小肠功能的启发，申请人设计了一种具有绒毛结构的水凝胶，即本申请中的超吸水水凝胶材料。下面对本专利技术实施例的超吸水水凝胶材料及其制备方法进行具体说明。该超吸水水凝胶材料由以下组分反应获得，具体组分包括：纳米氢氧化钙水溶液、第一聚合物单体、第二聚合物单体、引发剂、催化剂和pH调节剂。本申请中，经研究发现，通过以上组分反应能够形成具有超吸水水凝胶材料；原因推测如下：通过将纳米氢氧化钙作为交联剂，其中，第一聚合物和第二聚合物能够发生共聚，第一聚合物单体能与纳米氢氧化钙发生交联，第二聚合物单体与纳米氢氧化钙不发生交联。未交联的第二聚合物单体与第一聚合物聚合，从而连接至第一聚合物上，构成了绒毛结构。第一聚合物单体和第二聚合物单体在聚合时，属于原位自由基聚合。本实施例中，纳米氢氧化钙的直径为2-10nm，经专利技术人研究发现，该尺寸的纳米氢氧化钙能够更好的与第一聚合物进行交联，而当纳米氢氧化钙的直径过大，会造成交联度较差，不能得到水凝胶。本实施例中，第一聚合物单体包括丙烯酸盐和聚乙烯醇中的至少一种；第二聚合物单体包括2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N-羟甲基丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺中的至少一种。在本实施例的一个具体实施方式中，第一聚合物单体为丙烯酸单体；第二聚合物单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸。且丙烯酸单体和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的摩尔比为100:1-100:15。进一步地，按纳米氢氧化钙的用量计，本实施例中第一聚合物单体和第二聚合物单体的用量和纳米氢氧化钙的用量的比例为15-210：1。通过限定第一聚合物单体和第二聚合物单体的含量，能够保证聚合的程度。可选地，引发剂是水溶性引发剂单体，具体到本实施例中，水溶性引发剂单体包括过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠和2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐中的一种或多种；优选地，按纳米氢氧化钙的用量计，引发剂的用量和纳米氢氧化钙的用量的比例为1-40：1。可选地，催化剂包括N,N,N',N'-四甲基-乙二胺、亚硫酸钠和硫代硫酸钠中的一种或多种；优选地，按纳米氢氧化钙的用量计，催化剂的用量和纳米氢氧化钙的用量的比例为0.5-8ml/g。此外，本申请还提供了一种超吸水水凝胶材料的制备方法，其包括以下步骤：S1、制备纳米氢氧化钙。于-10℃－80℃下，将硅酸三钙、硅酸二钙、波特兰水泥和白水泥中的一种或多种置于水中，搅拌得到均匀分散体，接着于-10℃－80℃下保存均匀分散体2-5天，得到透明状的纳米氢氧化钙的水溶液。水溶液温度在整个制备纳米氢氧化钙过程中是至关重要的，温度控制在-10℃－80℃之间，能够保证水泥原料(硅酸三钙、硅酸二钙、波特兰水泥和白水泥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超吸水水凝胶材料，其特征在于，其由以下组分反应获得，所述组分包括：纳米氢氧化钙、第一聚合物单体、第二聚合物单体、引发剂、催化剂和pH调节剂；所述第一聚合物单体包括丙烯酸盐和聚乙烯醇中的至少一种；所述第二聚合物单体包括2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸、N‑羟甲基丙烯酰胺和N‑异丙基丙烯酰胺中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种超吸水水凝胶材料，其特征在于，其由以下组分反应获得，所述组分包括：纳米氢氧化钙、第一聚合物单体、第二聚合物单体、引发剂、催化剂和pH调节剂；所述第一聚合物单体包括丙烯酸盐和聚乙烯醇中的至少一种；所述第二聚合物单体包括2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N-羟甲基丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺中的至少一种。2.根据权利要求1所述的超吸水水凝胶材料，其特征在于，所述第一聚合物单体为丙烯酸单体；所述第二聚合物单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；优选地，所述丙烯酸单体和所述2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的摩尔比为100:1-100:15；优选地，按所述纳米氢氧化钙的用量计，所述第一聚合物单体和所述第二聚合物单体的用量和所述纳米氢氧化钙的用量的比例为15-210：1。3.根据权利要求1所述的超吸水水凝胶材料，其特征在于，所述纳米氢氧化钙的直径为2-10nm。4.根据权利要求1所述的超吸水水凝胶材料，其特征在于，所述引发剂是水溶性引发剂单体，优选地，所述水溶性引发剂单体包括过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠和2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐中的一种或多种；优选地，按所述纳米氢氧化钙的用量计，所述引发剂的用量和所述纳米氢氧化钙的用量的比例为1-40：1。5.根据权利要求1所述的超吸水水凝胶材料，其特征在于，所述催化剂包括N,N,N',N'-四甲基-乙二胺、亚硫酸钠和硫代硫酸钠中的一种或多种；优选地，按所述纳米氢氧化钙的用量计，所述催化剂的用量和所述纳米氢氧化钙的用量的比例为0.5-8ml/g。6.一种如权利要求1至5任一所述的超吸水水凝胶材料的制备方法，其特征在于，其包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙国星，胡小赛，李宗津，
申请(专利权)人：澳门大学，
类型：发明
国别省市：中国澳门,82