一种压力不敏感型水凝胶及其制备方法和应用

本发明涉及功能高分子材料，特别是涉及一种压力不敏感型水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着航天技术的不断发展，航天器在轨运行时间的延长以及深空探测任务的推进，对航天材料在极端环境下的可靠性与功能稳定性提出了更高要求。航天器在太空环境中长期暴露于真空、强辐射以及剧烈的温度交变条件下，其热管理与结构安全问题尤为突出。因此，开发兼具优异热调控性能与环境适应能力的新型材料，成为当前航天领域的重要研究方向。

2、水凝胶是一类由亲水性高分子网络构成的软湿材料，其内部具有大量三维连通的孔隙结构，能够吸收并保持大量水分。由于水具有较高的比热容和潜热，水凝胶在发生相变过程中可吸收或释放大量热量，从而在温度调节、热缓冲和能量存储等方面展现出显著优势。基于上述特性，水凝胶在航天器热控、相变储能以及温度稳定等领域显示出一定的应用潜力。

3、然而，传统水凝胶主要面向地面或近地环境设计，其性能依赖于内部水分的存在与稳定性。在太空环境中，由于外部压力接近真空，水凝胶内部的水分极易发生快速蒸发和迁移，导致材料严重失水。水分的流失不仅会显著降低水凝胶的相变储热能力，还可能引起高分子网络的塌陷和结构收缩，从而使材料的力学性能和功能特性发生不可逆退化。同时在外太空极低温条件下，水凝胶内部残留水分可能发生冻结，相变过程中产生的体积膨胀会对高分子网络结构产生较大的内应力，进而引发孔隙结构破坏、网络断裂或微裂纹扩展等问题。这种冻融循环效应会加速水凝胶性能衰减，严重影响其长期服役稳定性。

4、因此，如何在保持水凝胶高储热能力和柔性特性的同时，显著提升其在真空低压和极端温度条件下的结构稳定性与功能可靠性，成为本领域亟待解决的技术问题。针对航天环境特点，研发一种能够有效应对太空极端环境挑战的新型水凝胶材料，对于拓展水凝胶在航天领域的应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种压力不敏感型水凝胶及其制备方法和应用，以解决上述现有技术中存在的问题。本发明的压力不敏感型水凝胶是一种具备压力不敏感性、高温稳定性、大潜热的相变隔热材料，其相较于现有的水凝胶，具有更强的真空保水性能、更好的隔热性能，具有能够更好地满足适应太空环境的应用需求的特点。本发明的压力不敏感型水凝胶在真空、高温等极端环境下适应性良好。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明的技术方案之一：一种压力不敏感型水凝胶，原料包括琼脂糖、海藻酸钠和羧甲基壳聚糖；

4、所述琼脂糖、海藻酸钠和羧甲基壳聚糖的质量比为9~12：5~7：3~5。

5、本发明通过选用琼脂糖、海藻酸钠与羧甲基壳聚糖作为基底材料，优化制备工艺并调控三者配比，构建出交联密度更高的三维网络结构，以此限制水分自由移动；同时借助材料自身含有的羟基、羧基官能团强化与水分子的相互作用，提升束缚水比例、降低自由水含量；而且选择热稳定性优良的基底材料配合工艺调控，可将水凝胶相变温度控制在 80~150℃，最终显著提升水凝胶在真空低压和高温环境下的保水能力，使其具备压力不敏感特性与优异的耐高温、隔热储热性能，可在极端环境下保持结构稳定与功能可靠，能够更好地满足适应太空环境的应用需求。

6、本发明的技术方案之二：一种上述压力不敏感型水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

7、将琼脂糖与水混合，加热，得到琼脂糖水溶液；将海藻酸钠与水混合，得到海藻酸钠水溶液；将羧甲基壳聚糖与水混合，得到羧甲基壳聚糖水溶液；将所述琼脂糖水溶液、所述海藻酸钠水溶液和所述羧甲基壳聚糖水溶液分步混合，真空脱泡后冷却，成型后得到所述压力不敏感型水凝胶。

8、进一步地，所述琼脂糖水溶液中琼脂糖的浓度为3~4wt%。

9、进一步地，所述海藻酸钠水溶液中海藻酸钠的浓度为1.6~2.3wt%。

10、进一步地，所述羧甲基壳聚糖水溶液中羧甲基壳聚糖的浓度为1.5~2.5wt%。

11、进一步地，所述琼脂糖水溶液中含有的琼脂糖、所述海藻酸钠水溶液中含有的海藻酸钠和所述羧甲基壳聚糖水溶液中含有的羧甲基壳聚糖的质量比为9~12：5~7：3~5。

12、进一步地，将琼脂糖与水混合后，所述加热的温度为85~95℃，所述加热在搅拌条件下进行，以保证琼脂糖的均匀溶解分散。

13、进一步地，所述海藻酸钠水溶液与所述羧甲基壳聚糖水溶液的制备步骤包括：先通过磁力搅拌器初步搅拌溶解溶质，随后将搅拌后的溶液置于细胞破碎机中对溶质进行震动扩散，得到均匀溶解的海藻酸钠水溶液与羧甲基壳聚糖水溶液。

14、进一步地，将所述琼脂糖水溶液、所述海藻酸钠水溶液和所述羧甲基壳聚糖水溶液分步混合包括：对所述海藻酸钠水溶液和所述羧甲基壳聚糖水溶液进行预热，然后先将所述琼脂糖水溶液和预热后的海藻酸钠水溶液混合，搅拌均匀后再加入预热后的羧甲基壳聚糖水溶液，搅拌混合得到水凝胶前驱液。

15、可选地，所述预热的温度为50~60℃。

16、进一步地，所述真空脱泡在高温真空干燥箱中进行，所述真空脱泡的温度为70~80℃，时间为30~50min。

17、进一步地，所述冷却在室温（20~30℃）下进行，使凝胶前驱液在室温下凝固，最后得到固态水凝胶。

18、本发明的技术方案之三：一种上述压力不敏感型水凝胶在制备耐低压和/或耐高温保水材料中的应用。

19、本发明的技术方案之四：一种上述压力不敏感型水凝胶在制备耐低压和/或耐高温隔热材料中的应用。

20、进一步地，所述低压具体指真空，即耐低压具体指耐真空。

21、本发明的技术方案之五：一种上述压力不敏感型水凝胶在航天器中光电器件热控中的应用。

22、本发明公开了以下技术效果：

23、本发明提供的压力不敏感型水凝胶具有较高的交联密度，水分迁移性低，对外界压力变化不敏感，适用于低压或真空环境；

24、本发明提供的压力不敏感型水凝胶的凝胶内部经由羟基、羧基官能团强化结合束缚水，自由水比例显著降低，束缚水含量增加，有效抑制失水；

25、本发明提供的压力不敏感型水凝胶内部孔隙结构复杂，孔径分布广泛，具有较大的比表面积，保水能力优秀；

26、本发明提供的压力不敏感型水凝胶的相变温度可稳定控制在80～150℃范围内，热稳定性显著提高，同时相变潜热较高，有良好的相变隔热能力；

27、本发明提供的压力不敏感型水凝胶的制备方法简单、条件温和，无需复杂化学交联剂，具有良好的可重复性和工程应用前景；

28、本发明提供的压力不敏感型水凝胶在真空以及高温环境下仍能保持良好的水分保持能力与结构完整性，正常发挥隔热功能，特别适用于航天器中光电器件热控、极端环境热防护及相关功能材料领域。

1.一种压力不敏感型水凝胶，其特征在于，所述压力不敏感型水凝胶的原料包括琼脂糖、海藻酸钠和羧甲基壳聚糖；

2.一种如权利要求1所述的压力不敏感型水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的压力不敏感型水凝胶的制备方法，其特征在于，所述琼脂糖水溶液中琼脂糖的浓度为3~4wt%。

4.如权利要求2所述的压力不敏感型水凝胶的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠水溶液中海藻酸钠的浓度为1.6~2.3wt%。

5.如权利要求2所述的压力不敏感型水凝胶的制备方法，其特征在于，所述羧甲基壳聚糖水溶液中羧甲基壳聚糖的浓度为1.5~2.5wt%。

6.如权利要求2所述的压力不敏感型水凝胶的制备方法，其特征在于，将所述琼脂糖水溶液、所述海藻酸钠水溶液和所述羧甲基壳聚糖水溶液分步混合包括：对所述海藻酸钠水溶液和所述羧甲基壳聚糖水溶液进行预热，然后先将所述琼脂糖水溶液和预热后的海藻酸钠水溶液混合，搅拌均匀后再加入预热后的羧甲基壳聚糖水溶液，搅拌混合得到水凝胶前驱液。

7.如权利要求2所述的压力不敏感型水凝胶的制备方法，其特征在于，所述真空脱泡在高温真空干燥箱中进行。

8.一种如权利要求1所述的压力不敏感型水凝胶在制备耐低压和/或耐高温保水材料中的应用。

9.一种如权利要求1所述的压力不敏感型水凝胶在制备耐低压和/或耐高温隔热材料中的应用。

10.一种如权利要求1所述的压力不敏感型水凝胶在航天器中光电器件热控中的应用。