一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法

摘要

本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。本发明提供的方法通过过渡金属盐和维生素C的双催化体系引发丙烯酸单体的快速聚合，同时采用甜菜碱和醇类化合物组成的低共熔溶剂，使得凝胶在极端温度(低温和高温)条件下良好的导电性。实验结果表明：DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm‑1至1.3Sm‑1。

权利要求

1.一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；所述步骤a)中低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C的质量比为9.6～9.8：0.28～0.32：0.01；所述步骤a)中醇类化合物选自乙二醇和/或甘油；所述步骤a)中甜菜碱和醇类化合物的摩尔比为1：2.5～3.5；

b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶；所述步骤b)中反应的温度为0～30℃，时间为1～3min；

所述步骤b)中丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量和低共熔溶剂的质量比为

2.7mL：(0.038～0.042)g：(1～2)g:(5～6)g。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中过渡金属盐选自氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化锌、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。

3.一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶，由权利要求1～2任一项所述制备方法制得。

说明书

一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制

备方法

技术领域

[0001] 本发明属于凝胶技术领域，尤其涉及一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法。

背景技术

[0002] 由于可拉伸和导电水凝胶在组织工程，传感和可穿戴电子产品中的应用，得到了快速发展。但是，由于水的凝固和蒸发，大多数水凝胶无法在低温或高温下工作，传统的改
进策略涉及使用化学交联剂和有毒的有机溶剂，在紫外线或高温条件下进行聚合，这既复
杂又费时，限制了水凝胶的大规模应用。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法，该方法制备的凝胶能在极端温度下具有良好的导电性。

[0004] 本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：

[0005] a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；

[0006] b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。

[0007] 优选地，所述步骤a)中低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C的质量比为9.6～9.8：0.28～0.32：0.01。

[0008] 优选地，所述步骤b)中反应的温度为0～30℃，时间为1～3min。

[0009] 优选地，所述步骤a)中过渡金属盐选自氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化锌、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。

[0010] 优选地，所述步骤a)中醇类化合物选自乙二醇和/或甘油。

[0011] 优选地，所述步骤a)中甜菜碱和醇类化合物的摩尔比为1：2.5～3.5。

[0012] 优选地，所述步骤b)中丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比为2.7mL：(0.038～0.042)g：(1～2)g:(0.25～2)mL:(5～6)g。

[0013] 本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶，由上述技术方案所述制备方法制得。

[0014] 本发明提供的方法通过过渡金属盐和维生素C的双催化体系引发丙烯酸单体的快速聚合，同时采用甜菜碱和醇类化合物组成的低共熔溶剂，使得凝胶在极端温度(低温和高
‑1
温)条件下良好的导电性。实验结果表明：DES凝胶在0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm 至
‑1
1.3S m 。

附图说明

[0015] 图1为本发明实施例1制备凝胶过程的机理图；

[0016] 图2为本发明实施例1制备得到的凝胶在不同温度下的电导率图；

[0017] 图3为本发明实施例1制备凝胶在传感方面的应用图。

具体实施方式

[0018] 本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：

[0019] a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；

[0020] b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。

[0021] 本发明将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物。

[0022] 在本发明中，所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；所述醇类化合物优选选自乙二醇和/或甘油。所述甜菜碱和醇类化合物的摩尔比优选为1：2.5～3.5，更优选为1：
3。

[0023] 所述低共熔溶剂按照以下方法制得:

[0024] 将甜菜碱和醇类化合物混合后在连续搅拌并加热的条件下,形成透明溶液,得到低共熔溶剂。

[0025] 所述醇类化合物选自乙二醇和/或甘油。所述甜菜碱和醇类化合物混合的温度优选为58～63℃，更优选为60℃；搅拌时间优选至形成透明溶液，优选为10～20min。

[0026] 在本发明中，所述步骤a)中低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C(VC)的质量比优选为9.6～9.8：0.28～0.32：0.01，更优选为9.7：0.3：0.01。

[0027] 所述步骤a)中过渡金属盐选自氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化锌、硫酸铁和硝酸铁中的一种或多种。

[0028] 得到溶液A后，本发明将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。

[0029] 所述引发剂优选为过硫酸铵。

[0030] 所述步骤b)中丙烯酸的体积、引发剂的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比优选为2.7mL：(0.038～0.042)g：(1～2)g:(0.25～2)mL:(5～6)g，更优选为
2.7mL：0.04g：(1～2)g:(0.25～2)mL:(5～6)g；具体实施例中，所述丙烯酸的体积、引发剂
的质量、溶液A的质量、溶液B的体积和低共熔溶剂的质量比为2.7mL:0.04g:1g:0.25mL:6g；
或2.7mL：0.04g：1.5g：0.25mL:5.5g；或2.7mL：0.04g：2.0g：0.25mL：5g；或2.7mL:0.04g:2g:
0.25mL:5g；或2.7mL：0.04g：1.0g：1mL：6g；或2.7mL：0.04g：1.0g：2mL：6g。

[0031] 在本发明中，丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B和低共熔溶剂混合后反应的温度为0～30℃，时间为1～3min。本发明优选在冰浴条件下进行反应，得到凝胶。

[0032] 在本发明中，不同的过渡金属盐，例如CoCl2，NiCl2，ZnCl2和不同的DES，例如甜菜碱和甘油，也会形成DES凝胶。在加入过硫酸铵后，在DES中均匀分散的丙烯酸将在1分钟内
聚合并通过金属离子交联，其余离子均匀分散在凝胶中，提供导电的离子。

[0033] 为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发
明保护范围的限定。

[0034] 实施例1

[0035] 1)DES的制备：通过将甜菜碱和乙二醇以1:3的摩尔比简单混合，并在连续搅拌下于60℃加热混合物直至形成透明溶液，然后将其储存在干燥器备用。

[0036] (2)凝胶的制备：首先，向9.7g DES中添加0.3g FeCl3和0.01g VC形成均匀溶液，并将其储存备用(溶液A)；然后将0.04g过硫酸铵溶解在不同体积的水中，并将其储存备用
(溶液B)；最后，在冰浴中搅拌下将丙烯酸、溶液A和溶液B加入到DES中，搅拌后，单体聚合成
凝胶。

[0037] 为方便表述，将DES凝胶命名为Gel‑xFe3+/yH2O，其中x和y分别代表Fe3+和H2O的质3+ 3+
量分数。以Gel‑0.3Fe /2.5H2O和Gel‑0.3Fe /9.3H2O为例，分别将0.04g过硫酸铵溶解于
0.25ml和1ml H2O后(溶液B)，在冰浴中搅拌下将2.7ml丙烯酸和1g溶液A，6g DES，溶液B混
3+ 3+
合，即可制备Gel‑0.3Fe /2.5H2O和Gel‑0.3Fe /9.3H2O。

[0038] 表1中列出了详细信息：

[0039] 表1 DES凝胶中不同成分的含量

[0040]

[0041] 图1为实施例1制备凝胶过程的机理，以氯化铁为例，维生素C和Fe3+会发生氧化还2+
原反应，产生醌基自由基和Fe ，它将引发过硫酸铵的分解以连续产生自由基，然后触发丙
烯酸的聚合。

[0042] 实施例2

[0043] 本实施例测试实施例1制备的凝胶在不同温度下的导电率，如图2所示，DES凝胶在‑1 ‑1
0℃至90℃之间的电导率为0.1Sm 至1.3S m 。测试结果曲线图表明随着温度的升高，导电
率显著提高。水含量和铁含量越多，凝胶的导电率越大。

[0044] 实施例3

[0045] 本实施例测试实施例1制备的凝胶在传感方面的应用，如图3所示，将凝胶附着在手指上后，随着手指的弯曲及伸展，电流也会随之发生相应的变化。

[0046] 由以上实施例可知，本发明提供了一种利用过渡金属和维生素C双催化体系合成的凝胶的制备方法，包括以下步骤：a)、将低共熔溶剂和过渡金属盐、维生素C混合均匀，得
到溶液A；所述低共熔溶剂中包括甜菜碱和醇类化合物；b)、将丙烯酸、引发剂、溶液A、溶液B
和低共熔溶剂混合，反应，得到凝胶。本发明提供的方法通过过渡金属盐和维生素C的双催
化体系引发丙烯酸单体的快速聚合，同时采用甜菜碱和醇类化合物组成的低共熔溶剂，使
得凝胶在极端温度(低温和高温)条件下良好的导电性。实验结果表明：DES凝胶在0℃至90
‑1 ‑1
℃之间的电导率为0.1Sm 至1.3S m 。

[0047] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，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润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。