一种水热反应制备力学性能优异的K-卡拉胶水凝胶的方法

一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法
技术领域
1.本发明属于水凝胶制备技术领域，尤其涉及一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法。


背景技术：

2.水凝胶由于其优异的生物相容性和与生物组织相似的力学性能而引起了许多研究者的关注。具有复杂网络结构和优异功能性的水凝胶可以通过不同的引发聚合方法制备。然而，通过物理和生物引发方法制备的水凝胶往往具有不令人满意的力学性能。与前两种水凝胶相比，化学方法制备的水凝胶在机械强度方面具有明显优势，但此类水凝胶通常受到聚合时间长和有毒成分(包括残余引发剂或交联剂)的限制。虽然上述方法制备的水凝胶具有不同的优点，但其缺点也是非常突出的，例如能耗高，操作复杂等。因此，找到一种高效、绿色和环保的凝胶方法来制备水凝胶，并且避免引发剂和交联剂的过度使用至关重要。


技术实现要素：

3.针对现有技术的上述不足，本发明提供一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法。
4.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，包括以下步骤：步骤一：将k-卡拉胶和mxene溶解在聚乙烯醇溶液中，得到混合溶液；
6.步骤二：将混合溶液转移到反应釜内，将反应釜置于烘箱中加热，设置烘箱环境温度为100℃，保持20分钟，取出后冷却至室温，得到凝胶；
7.步骤三：将凝胶浸泡在硼砂溶液中，获得水凝胶。
8.作为优选，步骤一中，所述聚乙烯醇溶液聚乙烯醇含量为5wt％-10wt％，k-卡拉胶、mxene和聚乙烯醇溶液的质量比为20：1：50～100。
9.作为优选，步骤三中，述硼砂溶液质量浓度为4％，硼砂溶液没过凝胶；通过控制浸泡时间，能够改变水凝胶交联程度，从而对水凝胶力学性能进行控制。
10.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
11.1、该方法不同于以往的凝胶方式，是一类全新的聚合方式。该方法的优势在于简单易操作，能耗少，环境污染低。
12.2、硼酸根与pva羟基形成的硼酸酯键可作为交联点，通过改变用量可实现对水凝胶力学性能的调控，拓宽了水凝胶的应用。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的
附图。
14.图1为kc/pva/mxene-b水凝胶合成路线示意图；
15.图2为pva链上的羟基与硼砂之间形成硼酸酯键的详细过程；
16.图3为在硼砂溶液中浸泡不同时间(0min、20min、40min、60min和120min)对水凝胶力学性能影响的拉伸应力-应变曲线。
具体实施方式
17.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
18.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
19.一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，将k-卡拉胶和mxene溶解在聚乙烯醇溶液中，得到混合溶液；将混合溶液转移到反应釜内，然后将反应釜置于烘箱中加热，设置烘箱环境温度为100℃，保持20分钟，取出后冷却至室温，得到凝胶；将凝胶浸泡在硼砂溶液中，获得水凝胶；其中通过改变凝胶在硼酸溶液中浸泡的时间来控制水凝胶交联程度，从而控制水凝胶力学性能。
20.如图1、图2所示，本技术中其设计原理如下：
21.水热反应升温作用下诱导k-卡拉胶长链解螺旋，温度下降过程中k-卡拉胶长链组合重新螺旋，实现溶胶到凝胶的转变。
22.经硼砂溶液浸泡的凝胶，能够实现pva羟基与硼酸根的动态非共价交联，硼酸根与聚乙烯醇上羟基发生酯化反应形成硼酸酯键，随着浸泡时间的变化可以改变交联密度，实现对水凝胶力学性能的调控。
23.实施例1，一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，具体包括如下步骤：取k-卡拉胶、质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液和mxene按照质量比为20：50：1的比例准备，将k-卡拉胶和mxene溶解在聚乙烯醇溶液中，混合均匀，将得到的混合溶液到反应釜内，然后将反应釜置于烘箱中加热，设置烘箱环境温度为100℃，保持20分钟，取出后冷却至室温，得到凝胶；
24.凝胶的拉伸性能测试步骤如下：在电子万能材料试验机上进行拉伸测试，采用的测试样品为直径4mm，高40mm的圆柱形样品，拉伸速率100mm/min。
25.如图3所示，所得测试结果为：拉伸强度40kpa，断裂伸长率为59％。
26.实施例2，一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，具体包括如下步骤：取k-卡拉胶、质量浓度为6％的聚乙烯醇溶液和mxene按照质量比为20：50：1的比例准备，将k-卡拉胶和mxene溶解在聚乙烯醇溶液中，混合均匀，将得到的混合溶液到反应釜内，然后将反应釜置于烘箱中加热，设置烘箱环境温度为100℃，保持20分钟，取出后冷却至室温，得到凝胶。
27.将凝胶浸泡在质量浓度为4wt％的硼酸溶液中，硼酸溶液需没过凝胶，浸泡20min，得到水凝胶。
28.水凝胶的拉伸性能测试步骤如下：在电子万能材料试验机上进行拉伸测试，采用的测试样品为直径4mm，高40mm的圆柱形样品，拉伸速率100mm/min。
29.如图3所示，所得测试结果为：拉伸强度124kpa，断裂伸长率为279％。
30.实施例3，一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，具体包括如下步骤：取k-卡拉胶、质量浓度为8％的聚乙烯醇溶液和mxene按照质量比为20：70：1的比例准备，将k-卡拉胶和mxene溶解在聚乙烯醇溶液中，混合均匀，将得到的混合溶液到反应釜内，然后将反应釜置于烘箱中加热，设置烘箱环境温度为100℃，保持20分钟，取出后冷却至室温，得到水凝胶。
31.将凝胶浸泡在质量浓度为4wt％的硼酸溶液中，硼酸溶液需没过凝胶，浸泡40min，得到水凝胶。
32.水凝胶的拉伸性能测试步骤如下：在电子万能材料试验机上进行拉伸测试，采用的测试样品为直径4mm，高40mm的圆柱形样品，拉伸速率100mm/min。
33.如图3所示，所得测试结果为：拉伸强度118kpa，断裂伸长率为384％。
34.实施例4，一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，具体包括如下步骤：取k-卡拉胶、质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液和mxene按照质量比为20：80：1的比例准备，将k-卡拉胶和mxene溶解在聚乙烯醇溶液中，混合均匀，将得到的混合溶液到反应釜内，然后将反应釜置于烘箱中加热，设置烘箱环境温度为100℃，保持20分钟，取出后冷却至室温，得到凝胶。
35.将凝胶浸泡在质量浓度为4wt％的硼酸溶液中，硼酸溶液需没过凝胶，浸泡60min，得到水凝胶。
36.水凝胶的拉伸性能测试步骤如下：在电子万能材料试验机上进行拉伸测试，采用的测试样品为直径4mm，高40mm的圆柱形样品，拉伸速率100mm/min。
37.如图3所示，所得测试结果为：拉伸强度115kpa，断裂伸长率为568％。
38.实施例5，一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，具体包括如下步骤：取k-卡拉胶、质量浓度为7％的聚乙烯醇溶液和mxene按照质量比为20：80：1的比例准备，将k-卡拉胶和mxene溶解在聚乙烯醇溶液中，混合均匀，将得到的混合溶液到反应釜内，然后将反应釜置于烘箱中加热，设置烘箱环境温度为100℃，保持20分钟，取出后冷却至室温，得到凝胶。
39.将凝胶浸泡在质量浓度为4wt％的硼酸溶液中，硼酸溶液需没过凝胶，浸泡120min，得到水凝胶。
40.水凝胶的拉伸性能测试步骤如下：在电子万能材料试验机上进行拉伸测试，采用的测试样品为直径4mm，高40mm的圆柱形样品，拉伸速率100mm/min。
41.如图3所示，所得测试结果为：拉伸强度77kpa，断裂伸长率为604％。
42.由实施例1～实施例5可以看出，实施例1为凝胶(kc/pva/mxene)未经过硼酸溶液浸泡，实施例1与实施例2～实施例5对比可知，经过硼酸溶液浸泡后生成的水凝胶，水凝胶的拉伸强度及其拉伸伸长率有较高的提升。
43.由实施例2～实施例5看出，随着浸泡时间的增长，拉伸强度会小幅度降低，拉伸伸长率则大幅提升。
44.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作其他形式的限制，任何
熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将k-卡拉胶和mxene溶解在聚乙烯醇溶液中，得到混合溶液；步骤二：将所述混合溶液转移到反应釜内，将反应釜置于烘箱中加热，设置烘箱环境温度为100℃，保持20分钟，取出后冷却至室温，得到凝胶；步骤三：将所述凝胶浸泡在硼砂溶液中，获得水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，其特征在于，步骤一中，所述聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇含量为5wt％-10wt％，k-卡拉胶、mxene和聚乙烯醇溶液的质量比为20：1：50～100。3.根据权利要求1所述的一种水热反应制备力学性能优异的k-卡拉胶水凝胶的方法，其特征在于，步骤三中，所述硼砂溶液质量浓度为4％，硼砂溶液没过凝胶。

技术总结
本发明提供了一种水热反应制备力学性能优异的K-卡拉胶水凝胶的方法，包括以下步骤：步骤一：将K-卡拉胶和MXene溶解在聚乙烯醇溶液中，得到混合溶液；步骤二：将所述混合溶液转移到反应釜内，设置反应釜环境温度为100℃，保持20分钟，取出后冷却至室温，得到凝胶；步骤三：将所述凝胶浸泡在硼砂溶液中，获得水凝胶。经硼砂溶液浸泡的凝胶，通过控制浸泡时间，能够实现聚乙烯醇的羟基与硼酸根的动态非共价交联，改变交联密度，从而实现对水凝胶力学性能的调控。能的调控。能的调控。


技术研发人员：顾相伶 李可义 杨雪婷 刘勇
受保护的技术使用者：德州学院
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/22