一种强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶的制备方法

1.本发明涉及吸水凝胶材料的技术领域，具体涉及一种强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶的制备方法。


背景技术：

2.吸水凝胶是一种在日常生活的各个领域中都用处广泛的聚合物，由于它内部的-cooh、-oh、-co-nh、-nh2等亲水性基团在水中与氢键的作用，可以吸收相当于自身干重成百上千倍水分的，且具有三维交联网络亲水结构的不溶于水的凝胶，它能够在不同的环境中吸收及储存一定量的水分，在一定的压力下因此在医疗卫生、农业和建筑行业中均有应用。
3.在已有的报道中，高吸水性水凝胶已经有较多的研究，但水凝胶吸水后的凝胶强度均较低，在增加水凝胶的吸水储水能力的同时，强化凝胶强度研究较少。因为现有的凝胶，普遍强度较低，韧性较差，凝胶吸水后虽然有一定的保水性，但容易破碎，该问题的存在，使水凝胶材料脆弱，生命周期短，导致许多产品都是一次性的，例如在脱水剂、植物保水剂，水泥基建材等材料中使用时，受到一定的挤压或者搅拌后凝胶就会破碎，不仅使一部分水分流失，而且导致该材料的吸水保水性产生缺陷。这些问题大大限制了水凝胶的应用场景。本发明在给凝胶增韧的同时，又提高了凝胶的吸水储水能力，提高水凝胶的生命力，使凝胶可以在一些材料中更方便的循环使用。
4.公开号为101712785a的中国专利公开了一种新型高吸水树脂/无机纳米粒子复合材料的制备方法和用途，其制备方法为：首先将纳米粒子分散到丙烯酸水溶液(中和度为5-40％)中,然后加入引发剂、交联剂和可选择的共聚基体(如淀粉、纤维素和丙烯酸胺等)。升温在氮气下反应一段时间后取出产物，经洗涤、干燥、粉碎后即得到最终的高吸水树脂纳米复合材料。上述发明表现出优异的吸水性能和一定的力学性能，但是所述的纳米粒子为天然资源或人工制造的层状硅酸盐类，经济效益和环保效益较低，且力学性能的提高较低。
5.因此，本技术提供一种能对工业固废进行重新回收利用，可大幅提高凝胶强度，且经济环保的强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶的制备方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶的制备方法，制备工艺简便，易于调节。
7.本发明实现目的所采用的方案是：一种强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤一、称取10～25份的纳米碳纤维，20～50份活性工业固废，2～8份电石渣，80-120份水，200份助磨球，1～2份分散剂湿磨后过滤得到纳微米粒子研磨液；
9.步骤二、将4～8份的氢氧化钠溶于10～15份水中制得碱溶液，将10～20份丙烯酸用10-20份水进行稀释后逐滴加入到碱溶液中，待溶液温度冷却至室温后再加入3～5份的
丙烯酰胺进行混合搅拌，再添加0.006～0.126份交联剂和0.2～0.6份引发剂继续搅拌均匀制得水凝胶溶液；
10.步骤三、取步骤一中的纳微米粒子研磨液1～10份加入步骤二所制得的水凝胶溶液中，在一定温度下、惰性气体保护下搅拌至混合均匀；
11.步骤四、将步骤三中混合均匀后的混合物在一定温度下反应完全后干燥、粉碎即可获得所述强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶。
12.优选地，所述步骤一中，活性工业固废为高炉矿渣、粉煤灰、煤矸石中的任意一种。
13.优选地，所述步骤一中，分散剂为木质素磺酸盐类减水剂、苯系高效减水剂类、三聚氰胺系高效减水剂类中的至少一种。
14.优选地，所述步骤一中，助磨球为湿磨球。
15.优选地，所述步骤二中，交联剂为n,n-亚甲基-双丙烯酰胺。
16.优选地，所述步骤二中，引发剂为过硫酸钾和/或过硫酸铵。
17.优选地，所述步骤三中，搅拌温度为55～75℃。
18.优选地，所述步骤四中，反应温度为55～75℃。
19.本发明具有以下优点和有益效果：
20.1.本发明的制备方法制备的复合水凝胶，在湿法研磨阶段，通过电石渣来助磨，一方面激发活性工业固废的活性，另一方面对活性工业固废进一步细化；纳米碳纤维在湿磨过程中起到分散作用，增强研磨液的均匀程度。在水凝胶基体中，研磨后得到的纳微米级活性工业固废颗粒会使水凝胶之间产生交联，有更好的附着力，在水凝胶受到压力时，碳纤维会分散水凝胶所受应力，为水凝胶的破碎提供缓冲，具有一定的拉伸强度和韧性，提高水凝胶的生命周期。
21.2.本发明的制备方法制备的复合水凝胶的吸水储水能力更高，通过用活性工业固废颗粒来对复合水凝胶进行改性，利用活性工业固废粒子与丙烯酸与丙烯酰胺合成的吸水树脂内的自由羟基结合，形成结合位点，增强交联密度，提高吸水树脂的吸水性能与抗水解能力。
22.3.本发明的制备方法中所添加使用的原材料为活性工业固废，实现了工业固废的资源化利用，减少固体废弃物的堆放和环境污染，既环保又经济，制备流程无需高温等条件，成本低，工艺简单。
具体实施方式
23.为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
24.实施例1
25.1)取碳纤维10份，粉煤灰20份，电石渣2份混合，以及20份湿磨球和1重量份分散剂，并按固含比为0.4得到混合物，搅拌均匀后放到立式球磨机中进行湿法研磨40min，过滤后得到粒径≤150nm的纳微米粒子研磨液。
26.2)取去15份去离子水置于烧杯中，将烧杯放在500r/min的磁力搅拌机中，加入5.5份氢氧化钠，搅拌均匀制得氢氧化钠溶液，将15份丙烯酸用15份去离子水进行稀释，并逐滴加入到氢氧化钠溶液中，在磁力搅拌机上将溶液继续搅拌至室温后，再依次加入4份丙烯酰
胺，0.006份n，n亚甲基双丙烯酰胺，0.25份过硫酸钾进行交联聚合，制得水凝胶溶液。
27.3)取步骤1)中的纳微米粒子研磨液取3.75份加入步骤2)所制得的水凝胶溶液中，用保鲜膜将烧杯口密封，并继续搅拌15min。
28.4)将步骤4)的烧杯放在水浴锅中进行恒温加热90min，取出后放在鼓风干燥机中干燥至恒重，粉碎即可获得强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶。
29.实施例1所制备的复合水凝胶对去离子水吸水倍率为512g/g，凝胶强度(水凝胶吸水后的抗压强度)为141g/cm2。
30.实施例2
31.1)取碳纤维15份，粉煤灰30份，电石渣4份混合，以及30份湿磨球和1份分散剂，并按固含比为0.5加水得到混合物，搅拌均匀后放到立式球磨机中进行湿法研磨40min，过滤后得到粒径≤150nm的纳微米粒子研磨液。
32.2)取去15份去离子水置于烧杯中，将烧杯放在550r/min的磁力搅拌机中，加入5.5份氢氧化钠，搅拌均匀制得氢氧化钠溶液，将15份丙烯酸用15份去离子水进行稀释，并逐滴加入到氢氧化钠溶液中，在磁力搅拌机上将溶液继续搅拌至室温后，再依次加入4份丙烯酰胺，0.046份n，n亚甲基双丙烯酰胺，0.25份过硫酸钾进行交联聚合，制得水凝胶溶液。
33.3)取步骤1)中的纳微米粒子研磨液4.5份加入步骤2)所制得的水凝胶溶液中，用保鲜膜将烧杯口密封，继续搅拌20min。
34.4)将步骤4)的烧杯放在水浴锅中进行恒温加热100min，取出后放在鼓风干燥机中干燥至恒重，粉碎即可获得强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶。
35.实施例2所制备的复合水凝胶对去离子水吸水倍率为543g/g，凝胶强度为187g/cm2。
36.实施例3
37.1)取碳纤维20份，粉煤灰40份，电石渣6份混合，以及40份湿磨球和1份分散剂，并按水固重量比为0.6加水得到混合物，搅拌均匀后放到立式球磨机中进行湿法研磨40min，过滤后得到粒径≤150nm的纳微米粒子研磨液。
38.2)取去15份去离子水置于烧杯中，将烧杯放在600r/min的磁力搅拌机中，加入5.5份氢氧化钠，搅拌均匀制得氢氧化钠溶液，将15份丙烯酸用15份去离子水进行稀释，并逐滴加入到氢氧化钠溶液中，在磁力搅拌机上将溶液继续搅拌至室温后，再依次加入4份丙烯酰胺，0.086份n，n亚甲基双丙烯酰胺，0.25份过硫酸钾进行交联聚合，制得水凝胶溶液。
39.3)取步骤2)中的纳微米粒子研磨液5份加入步骤2)所制得的水凝胶溶液中，用保鲜膜将烧杯口密封，并继续搅拌25min。
40.4)将步骤4)的烧杯放在水浴锅中进行恒温加热110min，取出后放在鼓风干燥机中干燥至恒重，粉碎即可获得强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶。
41.实施例3所制备的复合水凝胶对去离子水吸水倍率为594g/g，凝胶强度为242g/cm2。
42.实施例4
43.1)取碳纤维25份，粉煤灰50份，电石渣8份混合，以及130份湿磨球和1份分散剂，并按水固重量比为0.7加水得到混合物，搅拌均匀后放到立式球磨机中进行湿法研磨40min，过滤后得到粒径≤150nm的纳微米粒子研磨液。
44.2)取去15份去离子水置于烧杯中，将烧杯放在650r/min的磁力搅拌机中，加入5.5份氢氧化钠，搅拌均匀制得氢氧化钠溶液，将15份丙烯酸用15份去离子水进行稀释，并逐滴加入到氢氧化钠溶液中，在磁力搅拌机上将溶液继续搅拌至室温后，再依次加入4份丙烯酰胺，0.126份n，n亚甲基双丙烯酰胺，0.25份过硫酸钾进行交联聚合，制得水凝胶溶液。
45.3)取步骤1)中的纳微米粒子研磨液5.36份加入步骤2)所制得的水凝胶溶液中，用保鲜膜将烧杯口密封，并继续搅拌30min。
46.4)将步骤4)的烧杯放在水浴锅中进行恒温加热120min，取出后放在鼓风干燥机中干燥至恒重，粉碎即可获得强化吸水储水能力及凝胶强度的纳微米粒子复合水凝胶。
47.实施例4所制备的复合水凝胶对去离子水吸水倍率为542g/g，凝胶强度为181g/cm2。
48.对比例
49.该样品组为不掺加纳微米粒子的水凝胶。
50.1)取去15份去离子水置于烧杯中，将烧杯放在500r/min的磁力搅拌机中，加入5.5份氢氧化钠，搅拌均匀制得氢氧化钠溶液，将15份丙烯酸用15份去离子水进行稀释，并逐滴加入到氢氧化钠溶液中，在磁力搅拌机上将溶液继续搅拌至室温后，再依次加入4份丙烯酰胺，0.015份n，n亚甲基双丙烯酰胺，0.25份过硫酸钾进行交联聚合，用保鲜膜将烧杯口密封，制得水凝胶溶液。
51.2)将步骤1)的烧杯放在水浴锅中进行恒温加热90min，取出后放在鼓风干燥机中干燥至恒重，粉碎即可获得普通水凝胶。
52.对比例1所制备的复合水凝胶对去离子水吸水倍率为311g/g，凝胶强度为84g/cm2。
53.以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。