一种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶制备方法
技术领域
1.本发明提供了一种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶及其制备方法，其属于高分子水凝胶技术领域。
背景技术：
2.水凝胶（hydrogel）是一种以水为分散介质，通过共价键、氢键或范德华力等作用相互交联构成的极为亲水的三维网络结构凝胶；它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解；水凝胶具有良好的生物相容性，与其他高分子材料聚合物相比，生物基水凝胶能和人体的皮肤等器官很好的贴合而不产生免疫排斥反应；因此水凝胶可用于药物传输、器官移植、组织培养等生物医学领域。
3.近年来，随着电子产品应用领域的不断扩大,柔性可穿戴设备在人体运动和健康监测等领域受到了广泛的关注。由于水凝胶具有良好的生物相容性、柔韧性、高的拉伸性以及可调控的导电性能，因此被视为构建柔性可穿戴传感器的理想材料；然而大多数水凝胶通常具有较低的力学性能和较差的生物相容性，这极大限制了水凝胶传感器的应用；因此，开发出具有良好的生物相容性和力学性能的水凝胶对于实现可穿戴设备应用领域的发展具有重要意义。
4.中国专利（cn110655661a）描述了一种聚丙烯酸/聚丙烯酰胺双网络水凝胶的制备方法，该双网络水凝胶是基于丙烯酸和丙烯酰胺制备的高强度paa/pam双网络水凝胶；制备方法包括：先制备二氧化硅悬浊液，然后将其与一定量的丙烯酸、n-n二甲基丙烯酰胺、交联剂和蒸馏水混合，经水浴制得第一网络水凝胶；然后将第一网络水凝胶浸泡在第二网络单体丙烯酰胺、交联剂、引发剂和蒸馏水的混合液中，制得双网络水凝胶；该专利发明采用两步水溶液法制备，水浴加热聚合反应，在较温和的条件下反应，同时得到的双网络水凝胶具有较好的抗温、抗压性和良好的吸水性；但未提及生物相容性。
5.中国专利（cn110818917a）描述了一种壳聚糖基纯物理交联双网络水凝胶及其制备方法；该方法以壳聚糖和琥珀酰化壳聚糖为原料，以碱性溶剂体系为基础，构建了一种由纯物理作用交联的双网络水凝胶；该专利发明相比传统化学-物理交联的壳聚糖双网络水凝胶，其良好的生物相容性具有非常明显的优势，但未提及具体的力学性能。
6.卡波姆，是用季戊四醇等与丙烯酸交联得到的丙烯酸交联树脂，含羧基56.0%~68.0%，是一类非常重要的流变调节剂；卡波姆是优秀的凝胶基质，广泛应用于乳液、膏霜、凝胶等护肤品中，无毒性，不支持霉菌生长，稳定性好。
7.已报道的卡波姆水凝胶模量小，具有较低的力学性能。本专利发明的丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶保持了卡波姆的良好生物相容性的同时，还具有优异的力学性能，可应用于伤口敷料等生物医学领域，也可应用于电子皮肤等可穿戴设备领域。
技术实现要素：
8.为了解决现有卡波姆水凝胶模量低、力学性能差的问题，本发明的目的提供了一
种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶及其制备方法。
9.本发明所述的一种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶，是将直接购买的卡波姆940分散在水中自然溶胀，然后与亲水性丙烯酰胺单体和化学交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺通过自由基聚合方式得到含有卡波姆的丙烯酰胺第一网络水凝胶；之后将第一网络水凝胶浸泡在fecl3溶液中，使fe
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与卡波姆形成金属配位作用，产生动态交联键，形成双网络水凝胶。
10.本发明所述的一种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶的制备方法，其步骤和条件如下：（1）卡波姆的溶解将0.1g～0.4g卡波姆溶于25ml去离子水中，此时卡波姆不溶于水，先将其分散在水中12h自然溶胀，并在分散装置中充分搅拌10～20min，之后放入超声波清洗机中超声0.5～1h，得到0.004g/ml～0.016g/ml的卡波姆溶液；（2）丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶的制备将卡波姆溶液与亲水性单体丙烯酰胺、化学交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾混合形成混合溶液，并在室温条件下搅拌至完全溶解，混合溶液中亲水性单体丙烯酰胺的质量浓度为0.144g/ml～0.16g/ml，卡波姆、丙烯酰胺亲水性单体、n,n-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂的质量比为10～40:390～360:0.2:2.5；将配置好的溶液直接置于模具中，然后将模具置于65～70℃的烘箱中反应7～8h，反应后冷却到室温，最终得到含有卡波姆的丙烯酰胺第一网络水凝胶；将得到的第一网络水凝胶浸泡在浓度为0.1mol/l的fecl3溶液中12h，取出该水凝胶用蒸馏水清洗表面多余fe
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离子，擦干表面，最终得到丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶。
11.本发明的有益效果：本发明通过自由基聚合的方法，将卡波姆、亲水性单体丙烯酰胺、交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾通过化学交联的方式形成第一网络水凝胶；然后将第一网络水凝胶浸泡在fecl3溶液中，使fe
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与卡波姆形成金属配位作用，形成第二网络水凝胶。该双网络水凝胶中有共价键、氢键以及金属配位作用，显著增强了水凝胶的力学性能，拉伸强度可达300kpa以上，断裂伸长率可达570%以上；另外，体系中的卡波姆是优秀的生物凝胶基质，具有良好的生物相容性和稳定性，无毒并不支持霉菌的生长；制备的水凝胶还可用于电子皮肤、柔性传感等可穿戴设备应用领域；拓宽了水凝胶的应用范围。
具体实施方式
12.一种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶是通过第一网络和第二网络互穿构成的；第一网络是丙烯酰胺通过化学交联形成的；第二网络是fe
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与卡波姆通过金属配位作用形成的；其制备方法的步骤和条件如以下实施例。
13.实施例1：一种丙烯酰胺/卡波姆单网络水凝胶制备方法的步骤和条件如下：（1）卡波姆的溶解将0.1g卡波姆溶于25ml去离子水中，此时卡波姆不溶于水，先将其分散在水中12h自然溶胀，并在分散装置中充分搅拌20min，之后放入超声波清洗机中超声0.5h，得到0.004g/ml
的卡波姆溶液；（2）单网络水凝胶的制备将0.004g/ml卡波姆溶液与3.9g丙烯酰胺、0.000195gn,n-亚甲基双丙烯酰胺和0.025g过硫酸钾混合形成混合溶液，并在室温条件下搅拌至完全溶解，混合溶液中亲水性单体丙烯酰胺的质量浓度为0.16g/ml；将配置好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为140
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80
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3mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响；然后将模具置于70℃的烘箱中反应8h，反应后冷却到室温，最终得到含有卡波姆的丙烯酰胺第一网络水凝胶；卡波姆、丙烯酰胺亲水性单体、n,n-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂的质量比为100:3900:1.95:25；制备的丙烯酰胺/卡波姆单网络水凝胶的力学性能测定方法：制备哑铃状水凝胶，水凝胶样条尺寸为50mm
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4mm
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3mm，利用拉伸机ags-x进行拉伸测试，测试速度为100mm/min；实施例1中制备的丙烯酰胺/卡波姆单网络水凝胶的拉伸强度最大为21kpa，断裂伸长率为262%。
14.实施例2：一种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶制备方法的步骤和条件如下：（1）卡波姆的溶解将0.1g卡波姆溶于25ml去离子水中，此时卡波姆不溶于水，先将其分散在水中12h自然溶胀，并在分散装置中充分搅拌20min，之后放入超声波清洗机中超声0.5h，得到0.004g/ml的卡波姆溶液；（2）丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶的制备将0.004g/ml卡波姆溶液与3.9g丙烯酰胺、0.000195gn,n-亚甲基双丙烯酰胺和0.025g过硫酸钾混合形成混合溶液，并在室温条件下搅拌至完全溶解，混合溶液中亲水性单体丙烯酰胺的质量浓度为0.16g/ml；将配置好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为140
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3mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响；然后将模具置于70℃的烘箱中反应8h，反应后冷却到室温，最终得到含有卡波姆的丙烯酰胺第一网络水凝胶；卡波姆、丙烯酰胺亲水性单体、n,n-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂的质量比为100:3900:1.95:25；将得到的第一网络水凝胶浸泡在浓度为0.1mol/l的fecl3溶液中12h，取出该水凝胶用蒸馏水清洗表面多余fe
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离子，擦干表面，最终得到丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶；用实施例1中的测定方法，实施例2中制备的丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶的拉伸强度最大为138kpa，断裂伸长率为395%。
15.实施例3：一种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶制备方法的步骤和条件如下：（1）卡波姆的溶解将0.2g卡波姆溶于25ml去离子水中，此时卡波姆不溶于水，先将其分散在水中12h自然溶胀，并在分散装置中充分搅拌20min，之后放入超声波清洗机中超声0.5h，得到0.008g/ml的卡波姆溶液；
（2）丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶的制备将0.008g/ml卡波姆溶液与3.8g丙烯酰胺、0.0019gn,n-亚甲基双丙烯酰胺和0.025g过硫酸钾混合形成混合溶液，并在室温条件下搅拌至完全溶解，混合溶液中亲水性单体丙烯酰胺的质量浓度为0.152g/ml；将配置好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为140
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3mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响；然后将模具置于70℃的烘箱中反应8h，反应后冷却到室温，最终得到含有卡波姆的丙烯酰胺第一网络水凝胶；卡波姆、丙烯酰胺亲水性单体、n,n-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂的质量比为200:3800:1.9:25；将得到的第一网络水凝胶浸泡在浓度为0.1mol/l的fecl3溶液中12h，取出该水凝胶用蒸馏水清洗表面多余fe
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离子，擦干表面，最终得到丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶；用实施例1中的测定方法，实施例3中制备的丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶拉伸强度最大为270kpa，断裂伸长率为400%。
16.实施例4：一种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶制备方法的步骤和条件如下：（1）卡波姆的溶解将0.3g卡波姆溶于25ml去离子水中，此时卡波姆不溶于水，先将其分散在水中12h自然溶胀，并在分散装置中充分搅拌20min，之后放入超声波清洗机中超声0.5h，得到0.012g/ml的卡波姆溶液；（2）丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶的制备将0.012g/ml卡波姆溶液与3.7g丙烯酰胺、0.00185gn,n-亚甲基双丙烯酰胺和0.025g过硫酸钾混合形成混合溶液，并在室温条件下搅拌至完全溶解，混合溶液中亲水性单体丙烯酰胺的质量浓度为0.148g/ml；将配置好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为140
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3mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响；然后将模具置于70℃的烘箱中反应8h，反应后冷却到室温，最终得到含有卡波姆的丙烯酰胺第一网络水凝胶；卡波姆、丙烯酰胺亲水性单体、n,n-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂的质量比为300:3700:1.85:25；将得到的第一网络水凝胶浸泡在浓度为0.1mol/l的fecl3溶液中12h，取出水凝胶用蒸馏水清洗表面多余fe
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离子，擦干表面，最终得到丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶；用实施例1中的测定方法，实施例4中制备的丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶拉伸强度最大为312kpa，断裂伸长率为576%。
17.实施例5：一种丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶制备方法的步骤和条件如下：（1）卡波姆的溶解将0.4g卡波姆溶于25ml去离子水中，此时卡波姆不溶于水，先将其分散在水中12h自然溶胀，并在分散装置中充分搅拌20min，之后放入超声波清洗机中超声0.5h，得到0.016g/ml的卡波姆溶液；（2）丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶的制备
将0.016g/ml卡波姆溶液与3.6g丙烯酰胺、0.0018gn,n-亚甲基双丙烯酰胺和0.025g过硫酸钾混合形成混合溶液，并在室温条件下搅拌至完全溶解，混合溶液中亲水性单体丙烯酰胺的质量浓度为0.144g/ml；将配置好的溶液直接置于模具中，所述的模具为硅胶板内置凹槽再通过玻璃板夹紧硅胶板制得，模具凹槽尺寸为140
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3mm，使水凝胶在模具中成型，模具只是对水凝胶起到固定成型的作用，对实验结果没有影响；然后将模具置于70℃的烘箱中反应8h，反应后冷却到室温，最终得到含有卡波姆的丙烯酰胺第一网络水凝胶；卡波姆、丙烯酰胺亲水性单体、n,n-亚甲基双丙烯酰胺化学交联剂、过硫酸钾引发剂的质量比为400:3600:1.8:25；将得到的第一网络水凝胶浸泡在浓度为0.1mol/l的fecl3溶液中12h，取出水凝胶用蒸馏水清洗表面多余fe
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离子，擦干表面，最终得到丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶；用实施例1中的测定方法，实施例5中制备的丙烯酰胺/卡波姆-fe
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双网络水凝胶拉伸强度最大为190kpa，断裂伸长率为330%。