一种纤维素基互穿网络聚合物水凝胶的制备方法
阅读说明：本技术 一种纤维素基互穿网络聚合物水凝胶的制备方法 (Preparation method of cellulose-based interpenetrating network polymer hydrogel ) 是由 刘瑞来 陈慧玲 何欢 胡家朋 林皓 丁晓红 徐婕 苏丽鳗 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纤维素基互穿网络聚合物水凝胶的制备方法。与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果：以纤维素多孔纳米纤维为骨架,将丙烯酸以互穿网络的形式聚合,形成聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶,从而大大提高了导电水凝胶的柔性；利用纤维素多孔纳米纤维的高孔隙率和大比表面积等优点,将苯胺接枝到纤维素上,大大提高了导电水凝胶的孔隙率和比表面积,有利于提高其与电解液之间的浸润性,从而提高其比电容。(The invention discloses a preparation method of cellulose-based interpenetrating network polymer hydrogel. Compared with the prior art, the invention has the following beneficial effects: the cellulose porous nanofiber is used as a framework, and the acrylic acid is polymerized in an interpenetrating network form to form polyacrylic acid/cellulose interpenetrating network hydrogel, so that the flexibility of the conductive hydrogel is greatly improved; by utilizing the advantages of high porosity, large specific surface area and the like of the cellulose porous nanofiber, the aniline is grafted to the cellulose, so that the porosity and the specific surface area of the conductive hydrogel are greatly improved, the wettability between the conductive hydrogel and electrolyte is favorably improved, and the specific capacitance of the conductive hydrogel is improved.)
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯酸/纤维素接枝(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶的制备方法，即纤维素基互穿网络聚合物水凝胶，属于电化学材料技术领域。
背景技术
水凝胶是一种含有丰富的三维网络结构的“软物质”，它在水中能保持一定形状且不被水溶解，表现出优异的保水性和凝胶的稳定性。在水凝胶体系中引入导电介质，使其变为导电水凝胶，近几年受到科研工作者的广泛关注。导电水凝胶是将亲水基质与导电介质有机结合，是一种兼具柔韧性和电化学性能的新型复合水凝胶，在柔性穿戴设备、生物传感器和超级电容器等领域具有广泛应用前景。目前制备导电水凝胶主要有三种方法，第一种将导电聚合物与水凝胶复合。例如Han等人将聚吡咯在纳米纤维素上组装后与聚乙烯醇/硼酸溶液进行复合，制备了电导率达3.73×10-2S/m的高电导率的多功能复合水凝胶(Ding QQ,et al.Nanocellulose-mediated electroconductive self-healing hydrogels withhigh strength,plasticity,viscoelasticity,stretchability,and biocompatibilitytoward multifunctional applications.ACS Applied Materials&Interfaces,2018,10,27987)。第二种将导电颗粒引入水凝胶。例如Lee等人将银纳米线引入聚丙烯酰胺水凝胶中，形成了高度灵活的水凝胶微图案电极。第三种方法是引入导电离子到水凝胶(Ahn Y M,et al.Highly conductive and flexible silver nanowire-based microelectrodes onbiocompatible hydrogel.ACS Applied Materials&Interfaces,2014,6,18401)。例如Liu等人将三氯化铁引入聚丙烯酰胺-海藻酸盐聚合物网络中形成了复合水凝胶，三氯化铁的引入赋予水凝胶的导电性和机械可调性(Liu H,et al.Spatially modulated stiffnesson hydrogels for soft and stretchable integrated electronics,MaterialsHorizons,2020,7,203)。然而在纤维素纳米纤维上接枝导电聚合物并与水凝胶复合制备导电水凝胶却无相关报道。
发明内容
：本发明的目的在于提供一种聚丙烯酸/纤维素接枝(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶制备方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种纤维素基互穿网络聚合物水凝胶的制备方法，其包括如下步骤：
S1、将对苯二胺和三乙胺加入二氯甲烷中，在氮气保护下，滴加丙烯酰氯，0～2℃下反应，得到N-(4-氨苯基)丙烯酰胺；并利用热致相分离的方法制备纤维素多孔纳米纤维；
S2、将所述纤维素多孔纳米纤维在蒸馏水中分散均匀后，加入丙烯酸、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，在氮气的保护下，用紫外光引发聚合反应，得到聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶；
S3、将硝酸铈铵溶解在硝酸溶液中，加入聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶，分散均匀，得到反应液A，将N-(4-氨苯基)丙烯酰胺溶解在硝酸溶液中，得到反应液B，将所述反应液B逐滴加入反应液A中，在30～50℃下进行反应后，经过丙酮索氏提取、抽滤，得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶；
S4、将所述聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶加入稀盐酸溶液中，后加入苯胺，在0～4℃下滴加过硫酸铵水溶液，在15～25℃下进行反应后，用蒸馏水洗涤，得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶。
作为优选方案，所述纤维素多孔纳米纤维的制备方法为：
将醋酸纤维素和纳米二氧化硅加入四氢呋喃和N,N’-二甲基甲酰胺混合溶剂中，混匀得到混合液；
将所述混合液在-30～-10℃下进行淬冷处理后，用蒸馏水除去N,N-二甲基甲酰胺和丙酮，然后在-50℃下进行冷冻干燥，得到醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维；
将所述醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维浸泡在NaOH/乙醇溶液，洗涤、冷冻干燥得到纤维素/二氧化硅复合纳米纤维；
将所述纤维素/二氧化硅复合纳米纤维浸泡在氢氟酸和氟化铵混合溶液中以除去二氧化硅，洗涤干燥得到纤维素多孔纳米纤维。
作为优选方案，所述混合液中，四氢呋喃和N,N’-二甲基甲酰胺的质量比为(1～3)：(3～5)，醋酸纤维素的质量浓度为2～5％，纳米二氧化硅的质量浓度为0.1～0.4％。
作为优选方案，所述对苯二胺和三乙胺的质量比为(2～3)：(0.3～0.6)。
作为优选方案，步骤S2中，丙烯酸，N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的质量比为(150～300)：(2～4)：(5～10)。
作为优选方案，步骤S4中所述的过硫酸铵水溶液的质量浓度为15～20％。
作为优选方案，所述稀盐酸的质量分数为10％。
本发明的机理在于：
首先通过对苯二胺与丙烯酰氯反应得到N-(4-氨苯基)丙烯酰胺；接着通过热致相分离方法制备醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维，然后将复合纳米纤维浸泡在氢氟酸和氟化铵混合溶液中，除去二氧化硅得到纤维素多孔纳米纤维；将纤维素多孔纳米纤维浸泡在丙烯酸单体中，以N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵为引发剂，紫外线光照引发丙烯酸聚合，得到聚丙烯酸/纤维素互穿网络聚合物水凝胶。以硝酸铈铵为引发剂，将N-(4-氨苯基)丙烯酰胺接枝聚合到纤维素上，得到聚丙烯酸/纤维素接枝(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶。最后将聚丙烯酸/纤维素接枝(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶浸泡在苯胺单体中，以过硫酸铵为引发剂，引发苯胺接枝聚合，得到聚丙烯酸/纤维素接枝(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、以纤维素多孔纳米纤维为骨架，将丙烯酸以互穿网络的形式聚合，形成聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶，从而大大提高了导电水凝胶的柔性。
2、利用纤维素多孔纳米纤维的高孔隙率和大比表面积等优点，将苯胺接枝到纤维素上，大大提高了导电水凝胶的孔隙率和比表面积，有利于提高其与电解液之间的浸润性，从而提高其比电容。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1本发明的实施例1制备的聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种聚丙烯酸/纤维素接枝(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
1)N-(4-氨苯基)丙烯酰胺的合成
2.5g对苯二胺和0.5g三乙胺加入含有100g二氯甲烷的三口烧瓶中，在氮气保护条件下，常温磁力搅拌溶解，将0.7g丙烯酰氯滴加到三口烧瓶中，1℃反应2h，反应结束后过滤除去沉淀物，滤液减压蒸馏除去溶剂，得到N-(4-氨苯基)丙烯酰胺。
2)纤维素多孔纳米纤维的制备
将2g四氢呋喃和8g N,N’-二甲基甲酰胺加入血清瓶中，后加入0.3g醋酸纤维素和0.02g纳米二氧化硅，常温下磁力搅拌形成混合液。将混合液倒入培养皿中，-20℃下冰箱冷冻处理100min。结束后取出，放入冰水混合物中，每6h换一次蒸馏水，换4次。最后冷冻干燥得到醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维；将醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维浸泡在0.1mol/L的NaOH/乙醇溶液中24h，后用蒸馏水洗涤，直至洗涤液pH值为7。冷冻干燥得到纤维素/二氧化硅复合纳米纤维。
将纤维素/二氧化硅复合纳米纤维浸泡在2mol/L的氢氟酸和8mol/L氟化铵混合溶液中2h，洗涤干燥得到纤维素多孔纳米纤维。
3)聚丙烯酸/纤维素互穿网络聚合物水凝胶的制备
将0.5g纤维素多孔纳米纤维分散在10g蒸馏水中，得到纤维素纳米纤维分散液。向分散液中加入2.8g丙烯酸(AA)，0.03g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和0.06g过硫酸铵，常温下磁力搅拌。在氮气保护条件下，将上述混合液在365nm紫外灯下照射10min，得到聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶。
4)聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶的制备
将0.2g硝酸铈铵溶解在20mL 1mol/L硝酸溶液中，溶解结束后，加入0.5g聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶，磁力搅拌分散，得到反应液A；0.05g N-(4-氨苯基)丙烯酰胺溶解在20mL 1mol/L硝酸溶液，得到反应液B。将反应液B逐滴加入反应液A中反应温度40℃、反应6h，蒸馏水洗涤、采用丙酮索氏提取、抽滤，得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶。
5)聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶的制备
将0.2g聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶加入50mL质量浓度为10％稀盐酸溶液中，后加入3g苯胺，在2℃下滴加30mL质量浓度为16％的过硫酸铵水溶液，20℃下反应3h，产物蒸馏水洗涤得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶，简称纤维素基互穿网络聚合物水凝胶。
实施例1制备的聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶形貌如图1所示。该水凝胶的孔隙率为92.1％，比表面积为17.11m2/g，电导率为1.33S/m。电流密度为1A/g条件下，比电容为155F/g。
实施例2
本实施例提供了一种聚丙烯酸/纤维素接枝(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
1)N-(4-氨苯基)丙烯酰胺的合成
2.8g对苯二胺和0.6g三乙胺加入含有100g二氯甲烷的三口烧瓶中，在氮气保护条件下，常温磁力搅拌溶解，将0.6g丙烯酰氯滴加到三口烧瓶中，2℃反应2h，反应结束后过滤除去沉淀物，滤液减压蒸馏除去溶剂，得到N-(4-氨苯基)丙烯酰胺。
2)纤维素多孔纳米纤维的制备
将3g四氢呋喃和7g N,N’-二甲基甲酰胺加入血清瓶中，后加入0.4g醋酸纤维素和0.03g纳米二氧化硅，常温下磁力搅拌形成混合液。将混合液倒入培养皿中，-15℃下冰箱冷冻处理150min。结束后取出，放入冰水混合物中，每6h换一次蒸馏水，换4次。最后冷冻干燥得到醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维；将醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维浸泡在0.1mol/L的NaOH/乙醇溶液中24h，后用蒸馏水洗涤，直至洗涤液pH值为7。冷冻干燥得到纤维素/二氧化硅复合纳米纤维。
将纤维素/二氧化硅复合纳米纤维浸泡在2mol/L的氢氟酸和8mol/L氟化铵混合溶液中2h，洗涤干燥得到纤维素多孔纳米纤维。
3)聚丙烯酸/纤维素互穿网络聚合物水凝胶的制备
将0.5g纤维素多孔纳米纤维分散在10g蒸馏水中，得到纤维素纳米纤维分散液。向分散液中加入2.5g丙烯酸(AA)，0.025g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和0.05g过硫酸铵，常温下磁力搅拌。在氮气保护条件下，将上述混合液在365nm紫外灯下照射10min，得到聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶。
4)聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶的制备
将0.2g硝酸铈铵溶解在20mL 1mol/L硝酸溶液中，溶解结束后，加入0.5g聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶，磁力搅拌分散，得到反应液A；0.05g N-(4-氨苯基)丙烯酰胺溶解在20mL 1mol/L硝酸溶液，得到反应液B。将反应液B逐滴加入反应液A中反应温度45℃、反应5h，蒸馏水洗涤、采用丙酮索氏提取、抽滤，得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶。
5)聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶的制备
将0.3g聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶加入50mL质量浓度为10％稀盐酸溶液中，后加入2.5g苯胺，在2℃下滴加30mL质量浓度为16％的过硫酸铵水溶液，25℃下反应4h，产物蒸馏水洗涤得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶，简称纤维素基互穿网络聚合物水凝胶。
实施例2制备的聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶的孔隙率为90.1％，比表面积为16.8m2/g，电导率为1.22S/m。电流密度为1A/g条件下，比电容为158F/g。
实施例3
本实施例提供了一种聚丙烯酸/纤维素接枝(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
1)N-(4-氨苯基)丙烯酰胺的合成
2.2g对苯二胺和0.4g三乙胺加入含有100g二氯甲烷的三口烧瓶中，在氮气保护条件下，常温磁力搅拌溶解，将0.5g丙烯酰氯滴加到三口烧瓶中，0℃反应2h，反应结束后过滤除去沉淀物，滤液减压蒸馏除去溶剂，得到N-(4-氨苯基)丙烯酰胺。
2)纤维素多孔纳米纤维的制备
将4g四氢呋喃和6g N,N’-二甲基甲酰胺加入血清瓶中，后加入0.35g醋酸纤维素和0.025g纳米二氧化硅，常温下磁力搅拌形成混合液。将混合液倒入培养皿中，-25℃下冰箱冷冻处理140min。结束后取出，放入冰水混合物中，每6h换一次蒸馏水，换4次。最后冷冻干燥得到醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维；将醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维浸泡在0.1mol/L的NaOH/乙醇溶液中24h，后用蒸馏水洗涤，直至洗涤液pH值为7。冷冻干燥得到纤维素/二氧化硅复合纳米纤维。
将纤维素/二氧化硅复合纳米纤维浸泡在2mol/L的氢氟酸和8mol/L氟化铵混合溶液中2h，洗涤干燥得到纤维素多孔纳米纤维。
3)聚丙烯酸/纤维素互穿网络聚合物水凝胶的制备
将0.5g纤维素多孔纳米纤维分散在10g蒸馏水中，得到纤维素纳米纤维分散液。向分散液中加入2.2g丙烯酸(AA)，0.02g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和0.07g过硫酸铵，常温下磁力搅拌。在氮气保护条件下，将上述混合液在365nm紫外灯下照射10min，得到聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶。
4)聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶的制备
将0.2g硝酸铈铵溶解在20mL 1mol/L硝酸溶液中，溶解结束后，加入0.5g聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶，磁力搅拌分散，得到反应液A；0.05g N-(4-氨苯基)丙烯酰胺溶解在20mL 1mol/L硝酸溶液，得到反应液B。将反应液B逐滴加入反应液A中反应温度43℃、反应5h，蒸馏水洗涤、采用丙酮索氏提取、抽滤，得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶。
5)聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶的制备
将0.35g聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)互穿网络聚合物水凝胶加入50mL质量浓度为10％稀盐酸溶液中，后加入2.4g苯胺，在1℃下滴加30mL质量浓度为20％的过硫酸铵水溶液，20℃下反应4h，产物蒸馏水洗涤得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶，简称纤维素基互穿网络聚合物水凝胶。
实施例3制备的聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶的孔隙率为91.9％，比表面积为15.25m2/g，电导率为1.48S/m。电流密度为1A/g条件下，比电容为159F/g。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于：省略步骤2，在步骤3中直接使用商业购买的醋酸纤维素粉末代替纤维素多孔纳米纤维，最终得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶，该水凝胶的孔隙率为77.12％，比表面积为6.77m2/g，电导率为1.34S/m。电流密度为1A/g条件下，比电容为86F/g。
对比例2
本对比例与实施例1不同之处在于：步骤2中无添加二氧化硅，最终得到聚丙烯酸/纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺互穿网络聚合物水凝胶，该水凝胶的孔隙率为83.10％，比表面积为13.11m2/g，电导率为1.28S/m。电流密度为1A/g条件下，比电容为132F/g。
对比例3
本对比例与实施例1不同之处在于：省略步骤3，步骤4中用纤维素多孔纳米纤维代替聚丙烯酸/纤维素互穿网络水凝胶，最终得到纤维素接枝聚(N-(4-氨苯基)丙烯酰胺)接枝聚苯胺，该物质的孔隙率为84.1％，比表面积为10.18m2/g，电导率为1.37S/m。电流密度为1A/g条件下，比电容为119F/g。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种液体羟乙基纤维素浆料及其制备方法