本發明屬于材料技術領域，具體涉及一種利用gamma射線預輻射方法，制備具有高彈高韌性能的氧化石墨烯/聚丙烯酰胺復合水凝膠的制備技術。

背景技術：

水凝膠是由三維交聯網絡和介質共同組成的多元體系，具有良好的吸水、保水、生物相容性及其它智能特性，廣泛應用于農、林、牧、園藝、沙漠防治、醫療衛生、生物醫藥、建筑、石油化工、日用化工、食品、電子和環保等領域。在某些領域中，要求水凝膠具有良好的機械性能。但大部分利用天然或合成材料制得的水凝膠機械性能都很差，尤其是在較高含水量時，機械性能顯著下降。機械性能下降的原因在于，由于缺乏有效的能量損耗機制，凝膠很難阻止裂紋擴展。因此，為了獲得高韌性的凝膠，需要向凝膠中引入分子水平的損耗機制，目前的互傳網絡凝膠、拓撲凝膠、納米復合凝膠、疏水締合凝膠等都是為此而開發的。

據文獻，對聚電解質水凝膠進行疏水性改性可以使粘性模量急劇增加，而彈性模量幾乎不變。的增加表明凝膠內存在能量損耗機制，而這個機制就是在凝膠網絡中由疏水性單元相互聚集而形成的疏水性微區。游離的疏水單元和聚集的疏水單元之間處于動態平衡之中。拉伸時，如果斷裂能被疏水性單元的解聚所耗散，凝膠破裂就會避免。因此，疏水單元解聚的活化能越高，韌性就越好。但另一方面，疏水微區在本質上也屬于物理交聯點，其在凝膠中的量不能多，否則很難實現高彈。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種gamma射線預輻射法制備高彈高韌氧化石墨烯/聚丙烯酰胺復合水凝膠的方法，通過該方法制備的凝膠，以氧化石墨烯為交聯點，從而具有較高的斷裂伸長率和斷裂強度，表現出高彈高韌的性能。

本發明通過以下技術方案得以實現：先將氧化石墨烯(GO)加入到去離子水中，超聲分散一定時間，形成GO均勻分散的水溶液；然后將GO水溶液置于gamma射線輻射場中輻照一定劑量。取出GO水溶液，加入到丙烯酰胺和其它單體的水溶液中，再加入亞硫酸氫鈉和水溶性偶氮鹽，在一定溫度下進行聚合反應，制備高彈高韌聚丙烯酰胺水凝膠。

本發明提供的一種gamma射線預輻射法制備高彈高韌氧化石墨烯/聚丙烯酰胺復合水凝膠的方法，具體步驟如下：

（1）首先，將GO加入到去離子水中，超聲分散20～60分鐘，形成質量濃度為1～20%水溶液，GO尺寸在50～1000nm之間。將GO水溶液轉移到試管中，封管后置于gamma射線輻射場中，吸收劑量為5～200kGy。然后，取出試管。

（2）將丙烯酰胺和其它單體溶解到去離子水中，形成單體總質量濃度為15～40%的單體水溶液。打開試管，取出一定量GO水溶液加入到單體水溶液中，單體總質量是GO質量的30～1000倍，攪拌形成均勻溶液。向溶液中充入高純氮氣（純度大于99.999%）以排除溶液中的氧氣。

其中，其它單體包括丙烯酸類、丙烯磺酸類、N-乙烯基吡咯烷酮類、N-取代丙烯酰胺類中的一種，或其中的幾種。另外，除單體丙烯酰胺外，其它單體質量占單體總質量的0～30%。

（3）最后，將溶液溫度降低到5～15℃，向溶液中加入亞硫酸氫鈉和水溶性偶氮鹽，亞硫酸氫鈉和水溶性偶氮鹽在溶液中的濃度分別為0.001～0.01%，保持溶液溫度不高于20℃，反應2～10小時。然后，提高反應溫度到40～50℃之間反應1.5～3小時，得到高彈高韌水凝膠。

其中，所述的水溶性偶氮鹽，包括偶氮二異丁脒鹽酸鹽、偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽、偶氮二異丙咪唑啉鹽酸鹽中一種，或其中的幾種。

采用本發明所述方法制備水凝膠，將凝膠裁成底面為正方形、邊長為3mm的長條，用萬能力學試驗機在25℃下進行拉伸測試，夾具間距50mm，儀器量程設定為100N，測試速度100mm/min。凝膠斷裂伸長率大于700%，拉伸斷裂強度大于100kPa。

本發明方法工藝簡單，凝膠伸長率和強度高，克服了普通水凝膠機械性能差的缺陷。

具體實施方式

實施例1

將氧化石墨烯（GO)分散到去離子水中，配成質量濃度為10%的水溶液，其中GO片層的平均尺寸在700nm。將水溶液轉移到小口玻璃容器中，把口密封起來。然后，放到60Co的gamma射線輻射場中，劑量率100Gy/min，吸收劑量50kGy。輻照結束，取出容器，置于15℃環境中保存、待用。

將丙烯酰胺25g和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸5g溶解到100ml去離子水中，冰浴降溫到10℃，并用磁力攪拌器攪拌均勻。向溶液里面加入2.5g的GO水溶液，在維持溫度10℃和攪拌下向溶液中充入高純氮氣（純度大于99.999%），充氮30分鐘。

向溶液里面加入0.002g亞硫酸氫鈉和0.0015g偶氮二異丁脒鹽酸鹽，維持溫度不高于20℃條件下反應5小時。然后，45℃溫水浴條件下反應2小時。

將凝膠裁成底面為邊長為3mm正方形的長條，用萬能力學試驗機在25℃下進行拉伸測試，夾具間距50mm，儀器量程設定為100N，測試速度100mm/min。凝膠斷裂伸長率825%，拉伸斷裂強度134kPa。

實施例2

將氧化石墨烯（GO)分散到去離子水中，配成質量濃度為8%的水溶液，其中GO片層的平均尺寸在500nm。將水溶液轉移到小口玻璃容器中，把口密封起來。然后，放到60Co的gamma射線輻射場中，劑量率100Gy/min，吸收劑量100kGy。輻照結束，取出容器，置于15℃環境中保存、待用。

將丙烯酰胺25g和N-乙烯基吡咯烷酮2g、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸3g溶解到100ml去離子水中，冰浴降溫到15℃，并用磁力攪拌器攪拌均勻。向溶液里面加入0.5g的GO水溶液，在維持溫度15℃和攪拌下向溶液中充入高純氮氣（純度大于99.999%），充氮30分鐘。

向溶液里面加入0.0015g亞硫酸氫鈉和0.002g偶氮二異丁脒鹽酸鹽，維持溫度不高于20℃條件下反應4小時。然后，45℃溫水浴條件下反應1.5小時。

將凝膠裁成底面為邊長為3mm正方形的長條，用萬能力學試驗機在25℃下進行拉伸測試，夾具間距50mm，儀器量程設定為100N，測試速度100mm/min。凝膠斷裂伸長率1210%，拉伸斷裂強度207kPa。

實施例3

將氧化石墨烯（GO)分散到去離子水中，配成質量濃度為8%的水溶液，其中GO片層的平均尺寸在400nm。將水溶液轉移到小口玻璃容器中，把口密封起來。然后，放到60Co的gamma射線輻射場中，劑量率100Gy/min，吸收劑量80kGy。輻照結束，取出容器，置于15℃環境中保存、待用。

將丙烯酰胺25g和N-乙烯基吡咯烷酮3g、丙烯酸2g溶解到100ml去離子水中，冰浴降溫到15℃，并用磁力攪拌器攪拌均勻。向溶液里面加入0.6g的GO水溶液，在維持溫度15℃和攪拌下向溶液中充入高純氮氣（純度大于99.999%），充氮30分鐘。

向溶液里面加入0.001g亞硫酸氫鈉和0.002g偶氮二異丁脒鹽酸鹽，維持溫度不高于20℃條件下反應3.5小時。然后，45℃溫水浴條件下反應2小時。

將凝膠裁成底面為邊長為3mm正方形的長條，用萬能力學試驗機在25℃下進行拉伸測試，夾具間距50mm，儀器量程設定為100N，測試速度100mm/min。凝膠斷裂伸長率760%，拉伸斷裂強度154kPa。