本發(fā)明屬于高分子材料，特別涉及一種高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠及其制備。

背景技術(shù)：

1、近年來，水凝膠由于其獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、可調(diào)的力學(xué)性能及良好的生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)、柔性電子、環(huán)境治理及能源轉(zhuǎn)換等多個領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。水凝膠能夠吸收大量水分，同時保持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此在柔性傳感器、組織工程、藥物釋放和傷口愈合等應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)水凝膠存在機(jī)械性能不足、耐久性差、功能性有限等問題，限制了其在需要較高強(qiáng)度和耐久性的環(huán)境中的應(yīng)用。

2、光熱轉(zhuǎn)換水凝膠是一類新興材料，通過將光熱轉(zhuǎn)換物質(zhì)(如碳基材料、金屬納米粒子或有機(jī)染料等)嵌入水凝膠基質(zhì)中，能夠在吸收光能后將其高效轉(zhuǎn)化為熱能。這類材料在太陽能捕獲、光催化殺菌、溫控釋放及智能響應(yīng)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)光熱水凝膠中常用的光熱材料成本較高，且存在毒性和環(huán)境污染風(fēng)險。因此，開發(fā)具有高效光熱轉(zhuǎn)換性能、低成本、環(huán)境友好、且具備優(yōu)異力學(xué)性能的水凝膠材料成為亟待解決的技術(shù)難題。

3、在此背景下，天然高分子材料作為一種低成本、可持續(xù)和環(huán)境友好的光熱轉(zhuǎn)換材料逐漸受到關(guān)注。殼聚糖是一種廣泛存在于甲殼類動物外骨骼中的天然多糖，具有良好的生物相容性、可降解性和化學(xué)改性能力。另一方面，明膠是從動物膠原蛋白中提取的一種天然蛋白質(zhì)聚合物，具有良好的生物相容性、可降解性和加工性，廣泛用于制備水凝膠。

4、目前，雖然已有一些水凝膠應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，但大多數(shù)面臨光熱轉(zhuǎn)換效率不足、機(jī)械性能較差及缺乏抗菌性等問題。因此，開發(fā)具有高光熱轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)良力學(xué)性能的水凝膠，將為生物醫(yī)學(xué)、能源轉(zhuǎn)換及環(huán)境治理等領(lǐng)域提供新的應(yīng)用前景和技術(shù)解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠。

2、本發(fā)明將氧化殼聚糖與明膠復(fù)合制備成水凝膠，充分結(jié)合兩者的優(yōu)勢，形成具有高強(qiáng)度、高光熱轉(zhuǎn)換效率和良好生物相容性的雜化水凝膠材料。本發(fā)明氧化殼聚糖/明膠雜化水凝膠的光熱轉(zhuǎn)換效率顯著提升，使其在光熱治療、傷口愈合、溫控傳感器及太陽能捕獲應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

3、本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠的制備方法。

4、本發(fā)明的再一目的在于提供上述氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠的應(yīng)用，特別是在光熱治療、傷口愈合、溫控傳感器及太陽能捕獲等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

5、本發(fā)明的目的通過下述方案實(shí)現(xiàn)：

6、一種高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠，包括以下質(zhì)量份計(jì)的組分：水80-100份，明膠20-40份，氧化殼聚糖1-5份，可溶性金屬鹽0.5-2份。

7、進(jìn)一步的，所述的明膠為本領(lǐng)域常規(guī)使用的明膠即可，可包括魚皮明膠、雞皮明膠中的至少一種。

8、進(jìn)一步的，所述氧化殼聚糖的羧基含量可為5-30％，更優(yōu)選為10-25％。

9、進(jìn)一步的，所述的氧化殼聚糖為本領(lǐng)域公知的氧化處理得到的殼聚糖即可，如可包括過氧化氫/二價金屬離子氧化殼聚糖、高錳酸鉀氧化殼聚糖、tempo氧化殼聚糖中的至少一種，優(yōu)選過氧化氫/二價金屬離子氧化殼聚糖。

10、進(jìn)一步的，所述可溶性金屬鹽包括檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鈣等中的至少一種。

11、本發(fā)明水凝膠由氧化殼聚糖與明膠復(fù)合得到，充分結(jié)合兩者的優(yōu)勢，氧化殼聚糖富含氨基和羧基，與明膠羥基/氨基形成強(qiáng)化氫鍵及靜電作用力，促進(jìn)明膠晶疇形成并產(chǎn)生強(qiáng)物理交聯(lián)，形成具有高強(qiáng)度、高光熱轉(zhuǎn)換效率和良好生物相容性的雜化水凝膠材料，可實(shí)現(xiàn)98％以上的全光譜太陽能吸收。且本發(fā)明水凝膠具有光熱驅(qū)動自愈合性能，在五次損傷/自愈循環(huán)后，仍能保持92％光熱驅(qū)動的自愈效率。

12、本發(fā)明還提供一種上述氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠的制備方法，包括以下步驟，將各組分按比例混合均勻后升溫溶解，經(jīng)低溫凝膠化后制備得到氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠。

13、進(jìn)一步的，所述升溫可加熱至60-100℃，溶解的時間可為0.5-5h。

14、進(jìn)一步的，低溫的溫度可為5-15℃，凝膠化時間可為12-48h。

15、本發(fā)明中氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠通過明膠與氧化殼聚糖形成特殊結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)換能力與大分子交聯(lián)特性，賦予氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠優(yōu)異力學(xué)性能和光熱自愈合性，克服了傳統(tǒng)水凝膠材料的不足；本發(fā)明中氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠還具有優(yōu)異的抗菌和保水性能，適用于多種應(yīng)用場景，如應(yīng)用于柔性傳感器、光熱治療、光熱產(chǎn)電、能源存儲等領(lǐng)域。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

17、(1)本發(fā)明的氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠具有優(yōu)異力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度韌性分別達(dá)到了5.53mpa和9.81mj·m-3。

18、(2)基于本發(fā)明的氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠具有高光熱轉(zhuǎn)換性能，實(shí)現(xiàn)了98％以上的全光譜太陽能吸收，在五次損傷/自愈循環(huán)后，仍能保持92％光熱驅(qū)動的自愈效率。

19、(3)本發(fā)明的氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠中的氧化殼聚糖，作為分子級分散的大分子交聯(lián)劑，可通過靜電相互作用和氫鍵作用在明膠分子鏈之間形成豐富的交聯(lián)點(diǎn)，促進(jìn)明膠鏈聚集成更多的三螺旋結(jié)構(gòu)。這些交聯(lián)點(diǎn)和結(jié)晶區(qū)域作為能量耗散點(diǎn)，防止大分子鏈在受力時快速滑移，從而同時增強(qiáng)和增韌水凝膠。

20、(4)本發(fā)明的氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠暴露在陽光下時，有效地吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱量。由于水溶性氧化殼聚糖和明膠鏈在水凝膠基質(zhì)中的強(qiáng)分子間相互作用，這種熱的產(chǎn)生存在于分子水平。當(dāng)吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱量時，水凝膠內(nèi)的溫度升高，導(dǎo)致局部升溫效應(yīng)。溫度的升高觸發(fā)了有機(jī)水凝膠中的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變，使明膠基質(zhì)暫時軟化。在這種軟化狀態(tài)下，分子網(wǎng)絡(luò)可快速重組，有效愈合裂縫或損傷，使本發(fā)明的氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱驅(qū)動的自愈性。

技術(shù)特征：

1.一種高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠，其特征在于包括以下質(zhì)量份計(jì)的組分：水80-100份，明膠20-40份，氧化殼聚糖1-5份，可溶性金屬鹽0.5-2份。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠，其特征在于：所述氧化殼聚糖的羧基含量為5-30％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠，其特征在于：所述氧化殼聚糖的羧基含量為10-25％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠，其特征在于：所述的氧化殼聚糖包括過氧化氫/二價金屬離子氧化殼聚糖、高錳酸鉀氧化殼聚糖、tempo氧化殼聚糖中的至少一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠，其特征在于：所述的氧化殼聚糖包括改進(jìn)型芬頓試劑氧化殼聚糖。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠，其特征在于：所述可溶性金屬鹽包括檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鈣中的至少一種。

7.一種權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠的制備方法，其特征在于包括以下步驟，將各組分按比例混合均勻后升溫溶解，經(jīng)低溫凝膠化后制備得到氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于：所述升溫指加熱至60-100℃，溶解的時間為0.5-5h。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于：低溫的溫度為5-15℃，凝膠化時間為12-48h。

10.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠在柔性傳感器、光熱治療、光熱產(chǎn)電、能源存儲領(lǐng)域中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種高光熱轉(zhuǎn)換性能強(qiáng)韌氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠及其制備。本發(fā)明的氧化殼聚糖雜化明膠水凝膠包括以下質(zhì)量份計(jì)的組分：水80?100份，明膠20?40份，氧化殼聚糖1?5份，可溶性金屬鹽0.5?2份。本發(fā)明水凝膠由氧化殼聚糖與明膠復(fù)合得到，充分結(jié)合兩者的優(yōu)勢，氧化殼聚糖富含氨基和羧基，與明膠羥基/氨基形成強(qiáng)化氫鍵及靜電作用力，促進(jìn)明膠晶疇形成并產(chǎn)生強(qiáng)物理交聯(lián)，形成具有高強(qiáng)度、高光熱轉(zhuǎn)換效率和良好生物相容性的雜化水凝膠材料，可實(shí)現(xiàn)98％以上的全光譜太陽能吸收。本發(fā)明水凝膠具有光熱驅(qū)動自愈合性能，在五次損傷/自愈循環(huán)后，仍能保持92％光熱驅(qū)動的自愈效率。

技術(shù)研發(fā)人員：張水洞,高兵兵,梁英沛,陸慧娟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9