一种利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法，包括PDA

【技术实现步骤摘要】
一种利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法


[0001]本专利技术属于水凝胶制备
，具体涉及一种利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法。

技术介绍

[0002]众所周知，水凝胶是一种类似于生物软组织的物质，其经典的三维交联聚合物网络结构可以使其保持固体和液体的双重性质，其优异的柔韧性、生物相容性和良好的化学稳定性让它成为生物工程应用的最佳候选材料之一。但是，与高度有序的生物组织相比，传统的水凝胶网络取向无序，柔软且弱，严重限制了它的应用。
[0003]为了扩大传统水凝胶的应用，科研人员研究了制作定向水凝胶的各种方法，包括磁场感应、电场感应、机械预拉伸和定向冷冻等技术。磁性纳米颗粒由于具有响应速度快、可控性高等优点，成为制备各向异性水凝胶的潜在材料。
[0004]采用接触式制作定向水凝胶的方法操作简单，实用性强，但是凝胶的定向结构对外力的依赖性强，并且容易受到其他因素的影响。为了解决这个问题，本专利技术采用一种非接触式制作定向水凝胶的方法。在外磁场作用下，磁性纳米颗粒之间产生偶极子相互作用，为各向异性水凝胶的快速组装提供足够的动力。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法，以解决聚丙烯酰胺水凝胶机械强度差的问题，并提供一种各向异性聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶。
[0006]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案来实现：
[0007]一种利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法，包括以下步骤：
[0008]PDA
‑
Fe3O4‑
SiO2顺磁性纳米复合物的制备：
[0009]将盐酸多巴胺溶于去离子水中，然后加入硅藻土，常温搅拌混均，使多巴胺涂覆在硅藻土表面，形成多巴胺
‑
硅藻土分散体系；
[0010]将FeCl2·
4H2O和FeCl3·
6H2O按1:2的摩尔比加入上述分散体系中，混均；升温至80
‑
100℃，滴入碱溶液，使溶液pH≥10，常温搅拌，使其沉淀；
[0011]将上述沉淀物离心，用去离子水洗至中性，然后冷冻干燥，得到PDA
‑
Fe3O4‑
SiO2顺磁性纳米复合物。
[0012]定向水凝胶的制备：
[0013]将上述顺磁性纳米复合物分散于聚多巴胺溶液中，超声，形成铁磁流体；
[0014]在铁磁流体中加入丙烯酰胺单体、引发剂、交联剂和催化剂，常温搅拌，形成均匀的凝胶前体溶液；
[0015]将凝胶前体溶液倒入硅胶模具中，放入磁场1
‑
5h，然后移除磁场，继续聚合反应形成聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶。
[0016]进一步地，所述碱溶液为NaOH溶液、KOH溶液中的至少一种，浓度为1
‑
2mol/L；滴入碱溶液后，调整pH＝12。
[0017]进一步地，所述引发剂为过硫酸铵，所述交联剂为N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺，所述催化剂为四甲基乙二胺。
[0018]进一步地，所述丙烯酰胺单体、引发剂、交联剂与催化剂加入的质量比为4:(0.005
‑
0.015):(0.005
‑
0.015):(0.01
‑
0.02)。
[0019]进一步地，所述聚多巴胺溶液为水溶液，浓度为1mg/ml。
[0020]进一步地，加入的所述顺磁性纳米复合物与聚多巴胺溶液的重量与体积比为(0.5
‑
2):1000。
[0021]进一步地，加入的丙烯酰胺单体与铁磁流体的重量与体积比为(1
‑
3):10。
[0022]进一步地，加入的所述盐酸多巴胺与去离子水的重量与体积比为(0.2
‑
0.4):20；所述盐酸多巴胺与硅藻土的重量比为(2
‑
4):20。
[0023]进一步地，所述FeCl2·
4H2O的加入量与硅藻土的加入量相同。
[0024]进一步地，步骤S6中，加入的磁场条件为：
[0025]在室温条件下进行，使用的磁场为平行磁场，磁铁为两块长方形强力钕磁铁，长为100mm，宽为5mm，高为10mm；两块磁铁距离为4cm。
[0026]本专利技术中多巴胺分子首先通过Π
‑
Π堆叠相互作用固定在硅藻土表面，从而在硅藻土表面形成活性位点。然后，多巴胺分子和亚铁离子螯合，由于邻苯二酚基团强大的金属离子螯合能力，形成邻苯二酚铁前驱体。在碱性环境下，磁性纳米复合物以邻苯二酚铁前驱体为晶核进行原位生长。同时，多巴胺发生自聚合，限制铁离子的扩散。
[0027]丙烯酰胺的聚合反应符合自由基连锁聚合反应的一般规律，自由基聚合一般分为链引发、链增长、链终止等基本反应单元，同时还伴随链转移反应。
[0028]随后，在形成聚合物过程中，分子内和分子间的氢键在PAM链的一部分形成，并且在PAM分子间形成微晶结构作为物理交联点形成凝胶。沿取向方向，PDA
‑
Fe3O4‑
SiO2纳米复合物表面的羟基和聚合物链相互作用形成氢键，即形成各向异性水凝胶。随着凝胶的形成，有序结构固定在水凝胶中，标志着各向异性水凝胶的获得。
[0029]本专利技术的有益效果：
[0030](1)本专利技术开发了一种利用磁场定向制作纳米复合水凝胶的制备方法，通过介导沉淀法，在硅藻土表面原位沉积Fe3O4纳米粒子，获得具有顺磁性的纳米复合物，然后通过磁场诱导定向策略使磁性纳米复合物在凝胶网络中顺向排列，最后通过原位聚合成定向水凝胶。
[0031](2)制备的聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶，在凝胶中引入磁性纳米复合物提高水凝胶微观结构的方向性，具有突出的各向异性和优异的机械性能；该专利技术为设计新型高性能材料在软组织工程、软机械工程和其他领域的应用提供了可能。
附图说明
[0032]图1中a)为多巴胺和硅藻土结构示意图、b)为硅藻土
‑
聚多巴胺纳米复合材料的结构示意图、c)为Fe3O4在纳米复合材料表面生长的结构示意图。
[0033]图2为丙烯酰胺聚合机理示意图。
[0034]图3为PAM聚合物链和磁性纳米材料相互作用的示意图。
[0035]图4为实施例1制备PDA
‑
Fe3O4‑
SiO2顺磁性纳米复合物红外图谱。
[0036]图5为磁性纳米复合物铁磁流体制备效果图。
[0037]图6为对比例1制备的各向同性水凝胶显微镜图像。
[0038]图7为实施例1制备的各向异性水凝胶显微镜图像。
[0039]图8为实施例1各向异性和对比例1各向同性水凝胶典型拉伸应力
‑
应变曲线图。
具体实施方式
[0040]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术不局限于这些本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将盐酸多巴胺溶于去离子水中，然后加入硅藻土，常温搅拌混均，使多巴胺涂覆在硅藻土表面，形成多巴胺
‑
硅藻土分散体系；S2：将FeCl2·
4H2O和FeCl3·
6H2O按1:2的摩尔比加入上述分散体系中，混均；升温至80
‑
100℃，滴入碱溶液，使溶液pH≥10，常温搅拌，使其沉淀；S3：将上述沉淀物离心，用去离子水洗至中性，然后冷冻干燥，得到PDA
‑
Fe3O4‑
SiO2顺磁性纳米复合物；S4：将上述顺磁性纳米复合物分散于聚多巴胺溶液中，超声，形成铁磁流体；S5：在铁磁流体中加入丙烯酰胺单体、引发剂、交联剂和催化剂，常温搅拌，形成均匀的凝胶前体溶液；S6：将凝胶前体溶液倒入硅胶模具中，放入磁场1
‑
5h，然后移除磁场，继续聚合反应形成聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶。2.根据权利要求1所述的利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法，其特征在于，所述碱溶液为NaOH溶液、KOH溶液中的至少一种，浓度为1
‑
2mol/L。3.根据权利要求1所述的利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法，其特征在于，步骤S2滴入碱溶液后，调整pH＝12。4.根据权利要求1所述的利用磁场定向制备聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵，所述交联剂为N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺，所述催化剂为四甲基乙二胺。5.根据权利要求1所述的利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚彬，张鸿菲，张炉青，巩鑫，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：