温敏相变水凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种温敏相变水凝胶的制备方法，将海藻酸钠溶于硫酸钠和丙烯酰胺水溶液中，以Ca

Preparation of temperature sensitive phase change hydrogel

【技术实现步骤摘要】
温敏相变水凝胶的制备方法
本专利技术涉及高分子领域，具体涉及一种温敏相变水凝胶的制备方法。
技术介绍
利用嵌入到水凝胶微孔中游离的自由水与无机盐粒子在相变过程中结合或者释放的基本原理，制备在低温下无机水合盐发生结晶过程，高温时发生熔融过程从而实现储能过程的水凝胶。该水凝胶相对于其他定形相变材料而言具有良好的弹性、柔软度以及优良导热性，能够有效地解决相变材料应用中出现的过冷度大和相分离明显的问题，是一种力学性质更为优良的储能材料，相比于传统的相变材料该水凝胶具有较高的相变焓，性能比较稳定。水凝胶作为能够在水中溶胀并保持一定水分而又不溶于水的具有三维网状结构的新型功能高分子材料，聚合物分子互相连接形成空间网状结构，而在网状结构的孔隙中又填充了液体介质，故兼有固体和液体的性质。水凝胶中的水尽管束缚于凝胶网络中，但仍有一定的活动性。水凝胶中的水扮演着控制所有载物进出凝胶的角色。当水凝胶从干燥状态开始吸水，首先水会被凝胶中的亲水基团所捕获，这部分水被称之为“结合水”。这部分水以氢键形式牢固地与聚合物中大量的亲水基团结合。当亲水基团与水结合后，水凝胶网络开始溶胀，链段松弛度增大，疏水基团暴露在水里，疏水基团同样会和水结合，我们称之为“界面水”或者“第二结合水”。这部分水分子以范德华力等微弱相互作用力绕聚合物非极性基团排列。当水凝胶网络结构进一步溶胀，水凝胶内压力下降，由于渗透压的存在，网络将要吸收额外的水量，称之为“游离水”。这部分水分子仅仅分布在聚合物链间网络中，自由扩散不受聚合物的影响，但是对材料溶胀体积起主要作用。不同状态的水引起的聚合物溶胀体积变化不同，结合水几乎不引起材料体积的变化，只有游离态的水才对溶胀体积有明显作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种温敏相变水凝胶的制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术涉及一种温敏相变水凝胶的制备方法，所述方法包括：在硫酸钠水溶液中以海藻酸钠为基本单元的第一个网络结构，以除镁、汞以外的二价金属离子为螯合剂，同时，在交联剂与促交联剂的作用下由引发剂和紫外灯光照引发丙烯酰胺单体发生聚合反应形成一个刚性交联网络结构；其中，硫酸钠作为主要相变剂，凝胶制备过程中添加十水合四硼酸钠作为成核剂，并且加入增稠剂以及保湿剂，最终制成温敏相变水凝胶。进一步的，所述螯合剂为Ca2+螯合剂；所述Ca2+螯合剂包括硫酸钙、氯化钙、碳酸钙、磷酸钙、二水合硫酸钙。进一步的，所述交联剂为含有两个以上可聚合双键的有机化合物；所述有机化合物包括N’-N亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、邻苯二甲酸二烯丙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯醇中的一种。进一步的，所述促交联剂包括N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)、六亚甲基四胺、N,N-二乙基苯胺、三亚乙基二胺中的一种。进一步的，所述引发剂为水溶性引发剂；所述水溶性引发剂包括过硫酸铵、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二氰基戊酸、偶氮二异丙基咪唑啉中的一种。进一步的，所述保湿剂包括丙三醇、十六醇、丁二醇、聚乙二醇中的一种。进一步的，所述增稠剂包括聚丙烯酰胺。进一步的，所述紫外灯采用的波长为254nm-365nm的光源。进一步的，所述聚合反应是在20～50℃下进行。进一步的，所述聚合反应的合成时间为12-35小时。进一步的，在丙烯酰胺单体聚合之前硫酸钠溶解于反应液中，在凝胶网络中形成微孔道时留在其中，在相变过程中转化为十水合硫酸钠以此吸收能量。进一步的，所述方法具体包括如下步骤：S1、制备海藻酸钠均相水溶液。S2、在50℃恒温水浴条件下，在所述海藻酸钠均相水溶液中加入丙烯酰胺单体、硫酸钠和十水合四硼酸钠，搅拌得到混合溶液A；S3、加入交联剂和促交联剂，溶于上述混合溶液A，得到混合溶液B；S4、加入增稠剂、保湿剂和螯合剂，得到悬浮液；S5、在所述悬浮液中加入引发剂，并在20～50℃的条件下，在紫外光源照射下进行聚合，得到初始水凝胶；S6、在温度为10～30℃，湿度为40％～90％的条件下稳定所述初始水凝胶，得到所述温敏相变水凝胶。进一步的，所述海藻酸钠、丙烯酰胺、硫酸钠、十水合四硼酸钠、增稠剂、螯合剂、交联剂、促交联剂、保湿剂和引发剂质量比为4～7：50～150：15～300：19～22：28～33：1～5：0.05～0.1：0.05～0.3：16～20：0.3～0.8。将硫酸钠(Na2SO4)无机盐粒子溶解之后混合在未发生聚合反应的单体溶液中，待凝胶网络逐渐产生并形成微孔道之后，Na2SO4仍然留存在其中，并在温度低的时候结合凝胶网络中释放出来的游离的水分子，经相变过程转化为Na2SO4·10H2O，由此途径吸收能量。在高温状态下则进行完全相反的释放结晶水和释能过程，这一原理是本专利技术设计相变储能水凝胶的立足点。在当今技术条件下以Na2SO4·10H2O作为相变材料在使用过程中存在两个主要的问题，即产生过冷和相分离现象。过冷现象的存在降低了Na2SO4·10H2O的结晶温度，而相分离则会造成在实际循环使用中相变潜热减小，因此要使Na2SO4·10H2O在储热中得到应用，必须采取措施有效地解决其过冷和相分离现象。借助水凝胶立体网络中分布的大大小小的孔隙结构和体系中游离的自由水，将无机盐相变材料Na2SO4·10H2O包覆进高分子三维网络结构中是本专利技术为解决其相分离和过冷度的一大理论创新，且加入成核剂十水合四硼酸钠也能有效地解决过冷度的问题。与现有技术相比，本专利技术还具有如下有益效果：1)选择这种方法较为简单，易操作。2)可以制备出满足各种不同大小体积需求的相变水凝胶。3)制备出交联的三维网络结构的柔性水凝胶，该网络结构的水凝胶具有很好的韧性，突出的特点是抗破损能力强，没有明显的应力集中。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术中，海藻酸钙一聚丙烯酰胺水凝胶基本结构示意图；图2为本专利技术中，不同质量分数十水合硫酸钠的DSC升温曲线；图3为本专利技术中，不同质量分数十水合硫酸钠的DSC降温曲线；图4为本专利技术中，十水合硫酸钠的质量分数为45％的相变储能水凝胶表面形貌；图5为本专利技术中，十水合硫酸钠的质量分数为45％的横断面的扫描电子显微镜照片；图6为本专利技术中，除去凝胶网络中的无机盐颗粒冷冻干燥后得到的样品表品表面形貌图；图7为本专利技术中，没有十水合硫酸钠的空白对照的海藻酸钠、聚丙烯酰胺交联的三维网络水凝胶的横断面扫描电镜图；图8为本专利技术中，十水合硫酸钠的质量分数为45％的相变储能水凝胶在10℃时的偏光显微镜图片；图9为本专利技术中，十水合硫酸钠的质量分数为45％的相变储能水凝胶在50℃时的偏光显微镜图片；图10为本专利技术中，十水合硫酸钠的质量分数为45％的相变储能水凝胶在10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温敏相变水凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括：/n在硫酸钠水溶液中以海藻酸钠为基本单元的第一个网络结构，以除镁、汞以外的二价金属离子为螯合剂，同时，在交联剂与促交联剂的作用下由引发剂和紫外灯光照引发丙烯酰胺单体发生聚合反应形成一个刚性交联网络结构；其中，硫酸钠作为主要相变剂，凝胶制备过程中添加十水合四硼酸钠作为成核剂，并且加入增稠剂以及保湿剂，最终制成温敏相变水凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种温敏相变水凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在硫酸钠水溶液中以海藻酸钠为基本单元的第一个网络结构，以除镁、汞以外的二价金属离子为螯合剂，同时，在交联剂与促交联剂的作用下由引发剂和紫外灯光照引发丙烯酰胺单体发生聚合反应形成一个刚性交联网络结构；其中，硫酸钠作为主要相变剂，凝胶制备过程中添加十水合四硼酸钠作为成核剂，并且加入增稠剂以及保湿剂，最终制成温敏相变水凝胶。


2.根据权利要求1所述的温敏相变水凝胶的制备方法，其特征在于，所述螯合剂为Ca2+螯合剂；所述Ca2+螯合剂包括硫酸钙、氯化钙、碳酸钙、磷酸钙、二水合硫酸钙。


3.根据权利要求1所述的温敏相变水凝胶的制备方法，其特征在于，所述交联剂为含有两个以上可聚合双键的有机化合物；所述有机化合物包括N’-N亚甲基双丙烯酰胺、邻苯二甲酸二烯丙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯醇中的一种。


4.根据权利要求1所述的温敏相变水凝胶的制备方法，其特征在于，所述促交联剂包括N,N,N’,N’-四甲基乙二胺、六亚甲基四胺、N,N-二乙基苯胺、三亚乙基二胺中的一种。


5.根据权利要求1所述的温敏相变水凝胶的制备方法，其特征在于，所述引发剂为水溶性引发剂；所述水溶性引发剂包括过硫酸铵、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二氰基戊酸、偶氮二异丙基咪唑啉中的一种。


6.根据权利要求1所述的温...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱健，沈伟国，尤勇，周雯婷，
申请(专利权)人：上海创始实业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31