一种高性能纤维增强复合水凝胶及其制备方法与应用

本发明涉及复合材料，尤其涉及一种高性能纤维增强复合水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

1、水凝胶是由大量水分子填充的三维网络高分子聚合物，吸水保湿性强，大部分水凝胶材料具有良好的生物相容性和低毒性，已经在生物医药、柔性皮肤传感器、水土保湿剂等领域得到了广泛的应用。然而，水凝胶材料机械性能较差(强度和模量较低)，外力作用下容易碎裂，所以在单独使用时往往难以满足实际应用要求，只能应用在敷料、吸水填料和载药剂等对机械性能要求很低的产品中。为解决这个问题，研究者们在高强度水凝胶开发的方面进行了大量的努力。然而，这些水凝胶的力学性能仍然难以满足人工肌肉、人工韧带和人工肌腱的使用需求。因此，如何显著增强水凝胶的机械性能，提高其实用性，是亟待解决的关键问题。

2、目前，科研人员通过将纤维与水凝胶物理组合，制备得到了纤维增强水凝胶，但这种方法得到的水凝胶材料，纤维骨架与水凝胶基体结合能力有限，容易造成纤维材料和水凝胶基体的脱离，导致材料失效。为了提升纤维和水凝胶的结合能力，科研人员又对纤维表面进行化学改性，增强了纤维骨架与水凝胶基体的结合能力，但是该方法较为复杂。因此，很有必要开发一种可以简单有效地提升纤维与水凝胶基体界面结合力，实现高性能纤维增强水凝胶高效制备的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是：水凝胶的机械性能较差，强度和模量较低，外力作用下容易碎裂，所以在单独使用时往往难以满足实际应用要求。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高性能纤维增强水凝胶及其制备方法，包括水凝胶基体和纤维骨架，所述纤维骨架完全嵌入水凝胶中。

3、一种高性能纤维增强水凝胶，其包括水凝胶基体和纤维骨架，所述纤维骨架嵌入水凝胶中。

4、其中，所述水凝胶基体贯穿所述纤维基体的内外，即所述纤维骨架置于水凝胶内且所述纤维骨架内部含有水凝胶。

5、一种高性能纤维增强水凝胶的制备方法(溶胀扩散方法)，优选用于制备上述高性能纤维增强水凝胶，所述制备方法包括：

6、步骤1、将纤维骨架置入含助溶剂的有机溶剂中进行溶胀，增加其孔隙率；

7、步骤2、将单体均匀分散在水中，配成单体溶液；

8、步骤3、向所述单体溶液中，加入交联剂、引发剂、催化剂，搅拌均匀后得到混合溶液；

9、步骤4、将溶胀完成的纤维骨架置入得到的混合溶液中，使混合溶液中的物料完全扩散进入纤维骨架内，再经聚合得到具有优异界面能力的高性能纤维增强水凝胶。

10、进一步地，根据上述的制备方法，在步骤(1)中，所述纤维骨架为间位芳纶纤维。

11、进一步地，根据上述的制备方法在步骤(1)中，所述有机溶剂为1-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)、二甲基乙酰胺(dmac)、二甲基甲酰胺(dmf)中的至少一种。

12、进一步地，根据上述的制备方法，在步骤(1)中，所述助溶剂为氯化钙、氯化锂中的一种，优选为氯化锂，更优选地，可以两种助溶剂混合使用，所述助溶剂总质量浓度范围为0～2％。

13、进一步地，根据上述的制备方法，在步骤(2)中，所述单体选自丙烯酰胺、丙烯酸、n-异丙基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基丙烯酰胺中的一种或多种，所述单体可以单独使用或组合使用。

14、进一步地，根据上述的制备方法，在步骤(2)中，单体溶液的总单体浓度为15wt％～55wt％，例如为15wt％、25wt％、35wt％、45wt％或55wt％，优选为25wt％。

15、进一步地，根据上述的制备方法，在步骤(3)中，所述交联剂选用n,n’-亚甲基双丙烯酰胺或乙二醇二甲基丙烯酸酯。所述交联剂可以组合使用或单独使用。所述交联剂的浓度可以根据单体而变化。交联剂与单体的摩尔比范围为0.00005～0.001，例如为0.00005、0.0001、0.0005或0.001；所述引发剂选自过硫酸铵、过氧化苯甲酰、过硫酸钾中的至少一种，所述引发剂与单体的摩尔比范围为0.000004～0.00008，例如为0.000004、0.000006、0.000008、0.00001、0.00002、0.00004、0.00006或0.00008；所述催化剂选用二甲基乙二胺或金属银，催化剂与单体的摩尔比范围为0.000001～0.00003，例如为0.000001、0.000002、0.000004、0.000006、0.000008、0.00001、0.00002或0.00003。

16、进一步地，根据上述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述聚合为加热聚合或紫外光聚合，优选为加热聚合，所述加热的温度为20～75℃，例如为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃或75℃。

17、本发明还提供上述溶胀扩散制备方法得到的高性能纤维增强水凝胶。

18、本发明还提供所述高性能纤维增强水凝胶在医用复合材料、仿生材料领域的应用。

19、本发明中所述高性能纤维增强水凝胶在医用复合材料和仿生材料领域的应用有着广泛的应用，原因在于：(1)本发明提出的纤维水凝胶复合材料是将高强度的间位芳纶纤维构成的纤维骨架嵌入到水凝胶基体中，有效地提高了复合材料整体的机械性能，拉伸强度可提高2个数量级，具备良好的生物相容性和安全性；(2)本发明提出的高性能纤维增强水凝胶具有良好的可设计性和可调节性，根据具体的应用需求可通过调节增强层纤维的疏密程度来调控材料整体的机械性能，如纤维的间距缩小，排布紧密，则复合材料整体的强度和模量增加，柔性降低，如纤维的间距增大，排布稀疏，则材料整体的强度和模量降低，柔性增加；(3)本发明提出的高性能纤维增强水凝胶的制备方法只需使用简单的模具结构便可实现纤维水凝胶材料固定和注模成型等功能，无需复杂、昂贵的机器设备，具有低成本、高效率、操作简单，可批量生产的特点；(4)本发明的方法具有普适性，可适用于具有不同性质的水凝胶基体材料。

20、综上所述，本发明通过溶胀扩散法制备纤维水凝胶复合材料，其制备方法简单、成本低、高效；同时，所制得的高性能纤维增强水凝胶具有较高的拉伸强度和模量，实现了多功能应用。

技术特征：

1.一种高性能纤维增强水凝胶，其包括水凝胶基体和纤维骨架，所述纤维骨架嵌入水凝胶中。

2.根据权利要求1所述的高性能纤维增强水凝胶，其特征在于，所述水凝胶基体贯穿所述纤维基体的内外。

3.一种高性能纤维增强水凝胶的制备方法，优选用于制备权利要求1或2所述高性能纤维增强水凝胶，包括：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述单体种类选自丙烯酰胺、丙烯酸、n-异丙基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基丙烯酰胺中的一种或多种组合。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述单体溶液的总单体浓度为15wt％～55wt％。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中：

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述聚合为加热聚合或紫外光聚合，优选为加热聚合，所述加热的温度为20～75℃。

9.根据上述3～8之一所述的制备方法得到的高性能纤维增强水凝胶。

10.权利要求1或所述高性能纤维增强水凝胶或利用权利要求3～9之一所述制备方法得到的高性能纤维增强水凝胶在医用复合材料、仿生材料中的应用。

技术总结
本发明属于复合材料的制备和应用领域，尤其涉及一种高性能纤维增强复合水凝胶及其制备方法与应用。传统水凝胶的机械性能较差，强度和模量较低，难以满足诸多实际应用要求。为了解决上述问题，本发明提供一种基于溶胀扩散法制备高性能纤维增强复合水凝胶的策略。通过对间位芳纶纤维骨架进行溶胀增加其孔隙率，随后将其浸泡在水凝胶前驱体溶液中，使水凝胶单体扩散进入纤维内部，最后通过聚合形成纤维水凝胶互穿网络，得到一种高性能纤维增强复合水凝胶。本发明所制备的高性能纤维增强复合水凝胶具有超高的拉伸强度和模量，其模量和强度与人体韧带与软管相当，在组织工程领域具有较好的应用前景。

技术研发人员：隋坤艳,范汶鑫,苏晓伟,马千里,于腾波,赵夏
受保护的技术使用者：青岛大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15