一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶及其制备方法，主要制备过程为：以氨基改性MXene作为水凝胶的导电填料和增强剂、柠檬酸根作为交联剂，通过一锅法和盐析过程制备氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶。该方法所制备的氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶具有优异的力学性能和导电性能，柠檬酸根作为交联剂，通过与氨基基团间的离子交联使得氨基改性MXene与明胶和壳聚糖分子链紧密结合，并均匀稳定地分布在水凝胶基体中，从而在外力作用下利用无机界面传递载荷，进而结合聚合物分子链的盐析效应，产生物理增强的氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶；同时，氨基改性MXene和大量游离离子的存在使水凝胶具有良好的导电和传感性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术属于智能型水凝胶制品和柔性电子
，具体涉及一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]导电水凝胶具有三维交联网络、优异的生物相容性和独特的机械性能，其特殊的网络结构和高亲水性为大量水分子提供了容纳空间(固定在聚合物链上的结合水和填充在聚合物链之间的自由水)，使导电水凝胶网络结构和机械性能均可调控，近年来在人机界面、软体机器人、可穿戴传感器等方面取得了重大进展。目前，导电水凝胶常以石油加工品如聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等为原料进行合成，这些水凝胶虽然具有良好的性能但难以进行降解，会对生态环境造成不可逆的污染和破坏。考虑到柔性电子产品在未来或将成为改变人类生活方式的必需品，因此，在构建高性能柔性电子产品时，必须注意原材料的绿色环保和可持续性，以实现柔性电子技术的可持续发展。
[0003]近年来，生物质资源作为一种极具潜力的可再生资源受到越来越多研究人员的青睐。目前，生物质资源占世界能源消耗的14％，是继化石能源之后的另一大能源，但其利用率低、资源浪费严重。因此，生物质资源的开发和利用对实现可持续健康发展具有重要意义。生物质可再生资源(如明胶、壳聚糖、木质素、海藻酸钠、淀粉等)具有来源广泛，且生物相容性和生物可降解性能好的特点，以其替代石油加工品来制备生物质基导电水凝胶有望获得具有优良的理化特性和生物学性质、较高的水渗透性及生物相容和可生物降解等的高性能水凝胶制品，并推动生物质资源在多功能水凝胶基柔性电子领域的开发和应用。然而，由于生物质材料的力学性能不佳，导致所制备水凝胶也存在着力学性能较差的问题，限制了其应用。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶及其制备方法，以解决生物质材料的力学性能不佳，导致生物质基水凝胶力学性能较差的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]本专利技术公开了一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)将MXene加入去离子水中，超声分散均匀，加入改性剂和催化剂，搅拌至完全溶解，随后升温并进行保温反应；反应结束后，将产物离心、洗涤、冷冻干燥，得到氨基改性MXene；
[0008]2)将壳聚糖加入去离子水中，滴加醋酸至壳聚糖完全溶解，获得壳聚糖溶液；
[0009]3)将氨基改性MXene加入去离子水中，超声分散均匀；加入明胶，搅拌至完全溶解；
逐滴加入壳聚糖溶液，搅拌均匀，超声，获得氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶溶液；
[0010]4)将上述溶液转移到模具中，静置，获得氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合预凝胶，随后将复合预凝胶置于含有柠檬酸盐、小分子多元醇和去离子水的混合溶液中，浸泡，获得氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶。
[0011]优选地，步骤1)中，MXene、去离子水、改性剂和催化剂的质量比为(0.5～1.5)：25：(2.5～4.0)：0.02；
[0012]所述改性剂为丝氨酸、赖氨酸或精氨酸；
[0013]所述催化剂为1
‑
(3
‑
二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐和4
‑
二甲氨基吡啶的混合物，两者的质量比为1：1。
[0014]优选地，步骤1)中，升温至100～120℃并保温反应3～6h。
[0015]优选地，步骤2)中，壳聚糖与去离子水的质量比为3:97。
[0016]优选地，步骤3)中，氨基改性MXene和去离子水的质量比为(0.097～0.538)：35；明胶和壳聚糖溶液的质量比为(3.521～9.086)：(1.157～8.012)。
[0017]优选地，步骤4)中，柠檬酸盐的质量浓度为15～50wt％；柠檬酸盐的阳离子为钠离子、铁离子、钾离子中的任意一种。
[0018]优选地，步骤4)中，小分子多元醇和去离子水的质量比为(20～250)：(50～300)。
[0019]优选地，步骤4)中，小分子多元醇的种类为乙二醇、丙二醇、二丙二醇、丙三醇、二聚丙三醇、丁二醇、戊二醇、季戊四醇中的任意一种。
[0020]优选地，步骤4)中，于4℃静置30～60min；浸泡时间为2～6h。
[0021]本专利技术还公开了上述制备方法制得的氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶，所述氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶的抗张强度为2.017～2.865MPa，断裂伸长率为425.159～496.751％，电导率为0.429～0.527S/m。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术公开了一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶的制备方法，以氨基改性MXene作为水凝胶的导电填料和增强剂、柠檬酸根作为交联剂，采用一锅法和盐析过程制备具有优异力学性能和导电性能的氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶。首先，鉴于明胶的温敏特性，复合水凝胶在低温下形成单一的明胶交联网络；随后，将其浸泡在柠檬酸盐溶液中，通过离子交联得到氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶。其性能增强机理如下：(1)在浸泡过程中，大量柠檬酸根离子和金属离子在浓度差的驱动下扩散到水凝胶中，柠檬酸根作为交联剂，通过与氨基基团间的离子交联使氨基改性MXene与明胶和壳聚糖分子链紧密结合，增强明胶与壳聚糖的力学性能，并均匀稳定地分布在水凝胶基体中，从而在外力作用下利用无机界面传递载荷，产生物理增强的氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶。即氨基改性MXene可以使水凝胶基体中的应力场和应力集中发生变化，使得复合水凝胶吸收冲击能力和抵抗裂纹扩展的能力增强。当复合水凝胶受到外力拉伸时，氨基改性MXene的两端受到来自水凝胶基体的拉应力，而中间受到压应力，由于力的相互作用，有利于屈服的发生，表现为韧性增强。此外，由于氨基改性MXene具有较大的比表面积，且与水凝胶基体中高分子链紧密结合，因而与基体具有较大的接触面积，当复合水凝胶受到冲击时，会产生更多的微开裂，吸收更多的冲击能，从而起到同步增强增韧的效果，
使得复合水凝胶的力学性能得到提升。(2)明胶和壳聚糖分子链由于盐析效应发生聚集，形成疏水链间相互作用区域，提高了水凝胶网络的交联密度，从而增强其力学性能。(3)氨基改性MXene和大量游离离子的存在使复合水凝胶具有良好的导电和传感性能。
[0024]进一步地，在100～120℃保温反应3～6h，MXene表面的羟基与改性剂中的羧基发生酯化反应，进而获得氨基改性MXene。适当的反应条件是保证酯化反应成功进行的关键。当反应温度过低时，无法提供酯化反应所需的热量，不利于反应的进行。而过高的温度可能会导致副反应生成，产生醚类等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将MXene加入去离子水中，超声分散均匀，加入改性剂和催化剂，搅拌至完全溶解，随后升温并进行保温反应；反应结束后，将产物离心、洗涤、冷冻干燥，得到氨基改性MXene；2)将壳聚糖加入去离子水中，滴加醋酸至壳聚糖完全溶解，获得壳聚糖溶液；3)将氨基改性MXene加入去离子水中，超声分散均匀；加入明胶，搅拌至完全溶解；逐滴加入壳聚糖溶液，搅拌均匀，超声，获得氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶溶液；4)将上述溶液转移到模具中，静置，获得氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合预凝胶，随后将复合预凝胶置于含有柠檬酸盐、小分子多元醇和去离子水的混合溶液中，浸泡，获得氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶及其制备方法，其特征在于，步骤1)中，MXene、去离子水、改性剂和催化剂的质量比为(0.5～1.5)：25：(2.5～4.0)：0.02；所述改性剂为丝氨酸、赖氨酸或精氨酸；所述催化剂为1
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(3
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二甲氨基丙基)
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乙基碳二亚胺盐酸盐和4
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二甲氨基吡啶的混合物，两者的质量比为1：1。3.根据权利要求1所述的一种氨基改性MXene增强明胶/壳聚糖复合水凝胶及其制备方法，其特征在于，步骤1)中，升温至100～120℃并保温反应3～6h。4.根据权利要求1所述的一种氨基改性MXene增强明胶/壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍艳，郭茹月，郑茜，张文博，刘超，祝茜，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：