本發(fā)明屬于水凝膠，尤其涉及一種碳點基高含水率強韌水凝膠及其制備方法。

背景技術：

1、水凝膠是一類由親水性聚合物鏈嵌入富水環(huán)境形成的三維(3d)網(wǎng)絡，具有廣泛可調(diào)的物理和化學性質(zhì)。水凝膠因其獨特的導電性、組織狀的柔軟性、刺激響應性和生物相容性而被廣泛用于可穿戴電子、軟機器人、組織工程、柔性電子、生物醫(yī)學、固態(tài)電解質(zhì)等領域。在這些領域，卓越的機械性能是必不可少的。然而，傳統(tǒng)的單網(wǎng)絡水凝膠往往是軟的或脆的，缺乏能量耗散機制和容易受到應力集中，其力學性能和韌性較弱，而且水凝膠的韌性和剛度以及疲勞閾值和剛度之間存在著沖突。提高力學強度往往會導致材料硬化，使得水凝膠很難同時具有高韌性和高強度，這種差的力學性能極大地限制了這種水凝膠的應用。最近，已經(jīng)通過構建雙網(wǎng)絡、有機無機雜化、致密化、多種作用相互協(xié)同和定向冷凍等策略，開發(fā)出碳點基高含水率強韌水凝膠，通過這些方法構建的水凝膠表現(xiàn)出更好的力學強度。以犧牲水凝膠含水率為代價的增強增韌策略與承重組織模擬物高含水率的要求(例如，軟骨含水率65％～80％)背道而馳；而高含水率賦予水凝膠保水性和滲透性，并且為細胞生命活動提供必需營養(yǎng)物質(zhì)，是實現(xiàn)生物醫(yī)用如承載組織替代的前提。但盡管如此，碳點基高含水率水凝膠材料很難達到13.47mpa的斷裂強度和39.61mj/m-3的韌性(這是因為水凝膠中的水含量很高，會導致高分子鏈之間的相互作用減弱，使得材料的整體強度降低。由于水凝膠中的大部分體積是水，真正提供機械強度的高分子鏈數(shù)量有限，這限制了其力學性能。傳統(tǒng)的水凝膠交聯(lián)密度較低，導致其機械性能較差。雖然增加交聯(lián)密度可以提高強度，但往往會犧牲材料的韌性和延展性。在高含水環(huán)境下，應力可能無法在水凝膠內(nèi)部均勻分布，導致材料在較低的應力下發(fā)生斷裂)。因此，制備高含水率(≥80％)條件下高強度、高韌性、高導電性水凝膠是必要的。

2、納米填料是一種具有特殊性能的材料，其粒子尺寸在1～100nm之間，包括粉狀或?qū)訝钐盍?碳納米管、石墨稀和mxene等)，這些納米粒子因其小尺寸而展現(xiàn)出表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等特性。由于其與聚合物之間的界面效應而引起了極大的關注。但是，與之而來的問題便是納米填料由于具有高比表面積和表面能，容易在聚合物基體中聚集和團聚，導致分散不均勻。這種團聚會降低填料的增強效果，影響復合材料的機械性能，從而破壞了這種強化策略的有效性，而且這種界面相互作用通常是基于弱物理作用和有限的化學鍵合，在水凝膠的力學性能方面提升有限。此外，納米填料與基體材料之間的相容性差，可能導致界面結合不充分，影響材料的整體性能。且納米填料價格昂貴、制備繁瑣。繼而，碳點漸漸的進入了人們的視野，碳點(cds)是尺寸小于10nm的碳納米粒子，作為“碳家族”的新成員，碳點(cds)迅速成為一類新興的碳基納米材料。于2004年，在提純單壁碳納米管的過程中意外發(fā)現(xiàn)了具有熒光性能的碳納米顆粒。2006年通過表面鈍化制備出發(fā)光碳。由于其優(yōu)異的光學特性、導電性、低毒性和高生物相容性，該領域吸引了眾多的研究人員。碳點的引入不僅可以提高導電性，還能增強水凝膠的力學性能，如韌性和拉伸性，這有助于保持導電網(wǎng)絡的完整性，進一步提高電導率。然而，碳點很少被用來改善復合材料的力學性能。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種碳點基高含水率強韌水凝膠及其制備方法，本發(fā)明碳點基高含水率強韌水凝膠的斷裂強度可達13.47mpa，韌性可達到39.61mj/m-3，導電性可達3.06s/m。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：

3、本發(fā)明的技術方案之一：

4、一種碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法，以對苯二酚碳點溶液、海藻酸鈉和聚乙烯醇(pva)為反應物，經(jīng)高溫反應和凍融循環(huán)，得到所述碳點基高含水率強韌水凝膠。

5、優(yōu)選的，所述對苯二酚碳點溶液的制備方法為：以對苯二酚為原料，以水為溶劑，經(jīng)過水熱反應和冷卻，得到所述對苯二酚碳點溶液。

6、優(yōu)選的，在對苯二酚碳點溶液的制備方法中，所述水熱反應的溫度為180℃，時間為1h。

7、優(yōu)選的，所述對苯二酚碳點溶液的濃度為0.5wt％。

8、優(yōu)選的，所述對苯二酚碳點溶液、海藻酸鈉和聚乙烯醇的質(zhì)量比為(18～34)∶0.3∶(1.7～5.7)，更優(yōu)選為24∶0.3∶5.7、34∶0.3∶5.7或18∶0.3∶1.7，最優(yōu)選為24∶0.3∶5.7。

9、優(yōu)選的，在所述碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法中，所述高溫反應的溫度為90℃，時間為3h。

10、優(yōu)選的，在所述碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法中，所述凍融循環(huán)為在-20℃條件下冷凍8h，然后在20℃條件下解凍3h，冷凍-解凍重復至少一次。

11、本發(fā)明為了對水凝膠的力學性能進行改善，設計了特定碳點(對苯二酚碳點)充當納米填料，通過氫鍵與海藻酸鈉和聚乙烯醇形成的雙網(wǎng)絡結構結合，由于特定碳點擁有著誘人的sp2晶核，能夠賦予材料很好的界面相互作用(例如π-π堆積，ch-π等)，而且，碳化后能夠很好地保留碳化前體的官能團，擁有很好的分散性。此外通過特定碳點、聚乙烯醇和鈉離子之間的非共價鍵，包括π-π、ch-π、范德華力和離子鍵來增強水凝膠的力學性能。

12、本發(fā)明的技術方案之二：

13、本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述制備方法制備得到的碳點基高含水率強韌水凝膠，所述碳點基高含水率強韌水凝膠的含水率≥80％。

14、優(yōu)選的，所述碳點基高含水率強韌水凝膠的含水率為80～90％。

15、更優(yōu)選的，所述碳點基高含水率強韌水凝膠的含水率為80％、85％或90％。

16、本發(fā)明含水率為80～90％碳點基高含水率強韌水凝膠的斷裂強度可達13.47mpa，韌性可達到39.61mj/m-3，導電性可達3.06s/m?？傊景l(fā)明制備了一種高含水率(≥80％)條件下具有高強度、高韌性和高導電性的水凝膠。

17、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果：

18、本發(fā)明碳點基高含水率強韌水凝膠由對苯二酚碳點充當納米填料，和海藻酸鈉、聚乙烯醇形成交聯(lián)網(wǎng)絡，并利用聚乙烯醇和海藻酸鈉、聚乙烯醇水凝膠之間的分子間相互作用，構建了具有優(yōu)異力學性能的高含水率水凝膠。

19、本發(fā)明中所用的特定碳點(對苯二酚碳點)不僅擁有著誘人的sp2晶核，能夠賦予材料很好的界面相互作用(例如π-π堆積，ch-π等)，而且，碳化后的對苯二酚能夠很好地保留碳化前體的官能團，擁有很好的分散性，且為聚乙烯醇、海藻酸鈉水凝膠引入了大量的物理交聯(lián)反應位點，這賦予了水凝膠優(yōu)異的斷裂強度和韌性。本發(fā)明的水凝膠制備工藝簡單，性能優(yōu)異。

技術特征：

1.一種碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法，其特征在于，以對苯二酚碳點溶液、海藻酸鈉和聚乙烯醇為反應物，經(jīng)高溫反應和凍融循環(huán)，得到所述碳點基高含水率強韌水凝膠。

2.根據(jù)權利要求1所述的碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法，其特征在于，所述對苯二酚碳點溶液的制備方法為：

3.根據(jù)權利要求2所述的碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法，其特征在于，所述水熱反應的溫度為180℃，時間為1h。

4.根據(jù)權利要求2所述的碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法，其特征在于，所述對苯二酚碳點溶液的濃度為0.5wt％。

5.根據(jù)權利要求4所述的碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法，其特征在于，所述對苯二酚碳點溶液、海藻酸鈉和聚乙烯醇的質(zhì)量比為(18～34)∶0.3∶(1.7～5.7)。

6.根據(jù)權利要求1所述的碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法，其特征在于，所述高溫反應的溫度為90℃，時間為3h。

7.根據(jù)權利要求1所述的碳點基高含水率強韌水凝膠的制備方法，其特征在于，所述凍融循環(huán)為在-20℃條件下冷凍8h，然后在20℃條件下解凍3h，冷凍-解凍重復至少一次。

8.一種碳點基高含水率強韌水凝膠，其特征在于，根據(jù)權利要求1～7任一項所述的制備方法制備得到，所述碳點基高含水率強韌水凝膠的含水率≥80％。

9.根據(jù)權利要求8所述的碳點基高含水率強韌水凝膠，其特征在于，所述碳點基高含水率強韌水凝膠的含水率為80～90％。

10.根據(jù)權利要求9所述的碳點基高含水率強韌水凝膠，其特征在于，所述碳點基高含水率強韌水凝膠的含水率為80％、85％或90％。

技術總結
本發(fā)明公開了一種碳點基高含水率強韌水凝膠及其制備方法，屬于水凝膠技術領域，本發(fā)明通過引入特定碳點(對苯二酚碳點)，利用對苯二酚碳點充當納米填料，通過氫鍵連接到海藻酸鈉/聚乙烯醇水凝膠的雙交聯(lián)網(wǎng)絡上，促進有效交聯(lián)聚合，對苯二酚碳點的引入不僅可以提高導電性，還能增強高含水率水凝膠的力學性能，且制備工藝簡單，性能優(yōu)異。

技術研發(fā)人員：萬建勇,曠峰,楊龍,霍歡鑫,孫遜
受保護的技術使用者：西南林業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9