CN112239558A - 一种亲水性可溶胀硅橡胶及其辐射化学制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亲水性可溶胀硅橡胶及其辐射化学制备方法，包括以下步骤：S1、用异丙醇，纯水依次清洗硅橡胶，烘干；S2、将亲水性聚合物单体和阻聚剂溶于去离子水中，得到接枝液；S3、将步骤S1中烘干后的硅橡胶和步骤S2所得接枝液放入储存装置中，充氮气排除氧气，然后密封；S4、将密封后的储存装置置于辐射源中，在常温常压下进行辐照；S5、辐照后取出，用丙酮、乙醇和纯水依次洗净，即得到亲水性可溶胀硅橡胶。本发明利用γ射线辐照技术提高了硅橡胶的亲水性，效果显著，操作简单，反应条件均匀，不使用其他化学试剂、反应体系纯净、绿色环保，γ射线穿透能力强、可实现大批量处理，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及功能材料和辐射加工领域，具体涉及一种亲水性可溶胀硅橡胶及其辐射化学制备方法。
背景技术
硅橡胶是指主链由硅和氧原子交替构成，硅原子上通常连有两个有机基团的橡胶。普通的硅橡胶主要由含甲基和少量乙烯基的硅氧链节组成。苯基的引入可提高硅橡胶的耐高、低温性能，三氟丙基及氰基的引入则可提高硅橡胶的耐温及耐油性能。硅橡胶的透气性好，氧气透过率在合成聚合物中是最高的。此外，硅橡胶还具有生理惰性、不会导致凝血的突出特性，因此在医用领域应用广泛。
现在市面的硅橡胶疏水性强，导致硅胶无法溶胀，体积变化小，阻碍了硅橡胶在辐射交联、接枝等辐射相关的应用以及水处理、试剂反应等与溶液的反应和吸附。公开号为CN107759820A的中国专利报道了一种硅橡胶表面亲水改性的方法，具体步骤为：将带有双键的亲水性单体、交联剂、光引发剂溶解于有机溶剂中；将硅橡胶基片放入制成的溶液中，紫外引发后取出，水洗得到亲水改性后的硅橡胶。公开号为CN 101805453A的中国专利报道了一种加成型室温硫化硅橡胶表面亲水性改性的方法，具体步骤为：以加成型室温硫化硅橡胶为基体材料，氧气为处理气体，处理功率为20W–100W。这些硅橡胶在改亲水性的过程中操作步骤较多，化学体系复杂，加入了大量的有毒的交联剂、引发剂等化学试剂，导致硅橡胶的不纯净，增加了硅橡胶不必要的毒性，抹掉了硅橡胶生理惰性的突出特点；或者消耗功率大，硅橡胶改性的型号有很大限制，限制硅橡胶的应用，特别是医疗方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种亲水性可溶胀硅橡胶及其辐射化学制备方法，以改善现有硅橡胶亲水改性技术在操作过程、反应体系、绿色环保、效果等方面的局限性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，包括以下步骤：
S1、用异丙醇，纯水依次清洗硅橡胶，烘干；
S2、将亲水性聚合物单体和阻聚剂溶于去离子水中，搅拌均匀，得到接枝液；
S3、将步骤S1中烘干后的硅橡胶和步骤S2所得接枝液放入储存装置中，充氮气排除氧气，然后密封；
S4、将密封后的储存装置置于辐射源中，在常温常压下进行辐照；
S5、辐照后取出，用丙酮、乙醇和纯水依次洗净，即得到亲水性可溶胀硅橡胶。
进一步的，步骤S1中所述硅橡胶是主链由硅和氧原子交替构成，硅原子上连有有机基团的橡胶，为甲基硅橡胶，甲基乙烯基硅橡胶，苯基硅橡胶，腈基硅橡胶，氟硅橡胶及其共聚物中的一种或几种。
进一步的，步骤S2中所述亲水性聚合物单体为丙烯酸，甲基丙烯酸，丙烯酰胺，甲基丙烯酸羟乙酯，N-异丙基丙烯酰胺，N,N’-亚甲基双(丙烯酰胺)，苯乙烯磺酸钠中的一种或几种，在接枝液中的质量分数为1wt％-80wt％。
进一步的，步骤S2中所述阻聚剂为可溶性铜盐、铁盐、苯二酚中的一种或几种，在接枝液中的质量分数为0.01wt％-5wt％。
进一步的，步骤S4中所述辐射源为γ射线、X射线、工业电子加速器中的一种。
进一步的，所述γ射线和X射线辐照的剂量率为0.1-10kGy/h，所述工业电子加速器辐照的剂量率为1kGy-100kGy/min。
进一步的，步骤S5中所述辐照的剂量为1kGy-100kGy。
根据上述辐射化学方法制得的一种亲水性可溶胀硅橡胶，所述亲水性可溶胀硅橡胶的侧链接枝有亲水性聚合物，可以在水中溶胀。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)体系纯净，绿色环保。本发明利用γ射线辐照技术引发的化学反应实现对硅橡胶的改性，以提高亲水性，整个过程在水溶液中进行，且不需要加入其它化学试剂，反应体系纯净，绿色环保。
2)反应均匀，效率高。γ射线的能量非常高，穿透能力强，可保证整个溶液体系反应条件的均匀性，获得性能均一的产品。由于γ射线的穿透能力强，能够直接对大容量容器进行辐照，可快速实现大批量处理，易实现规模化应用。
3)操作简单，条件温和。将装有硅橡胶和接枝液的容器直接放入辐照装置进行辐照即可，不需要更换容器，操作非常方便。整个辐照过程在常温、常压下进行，不会对硅橡胶造成损伤。
4)亲水性高，溶胀率大。改性后的硅橡胶较未辐射的硅橡胶亲水性增加，可溶胀900％。
附图说明
图1为未接枝硅橡胶(a)和接枝丙烯酸后的硅橡胶(b)的红外谱图；
图2为未接枝硅橡胶(左)和接枝丙烯酸后的硅橡胶(右)的对比图。
具体实施方式
一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，包括以下步骤：
S1、用异丙醇，纯水依次清洗硅橡胶，烘干；
S2、将亲水性聚合物单体和阻聚剂溶于去离子水中，搅拌均匀，得到接枝液；
S3、将步骤S1中烘干后的硅橡胶和步骤S2所得接枝液放入储存装置中，充氮气排除氧气，然后密封；
S4、将密封后的储存装置置于辐射源中，在常温常压下进行辐照；
S5、辐照后取出，用丙酮、乙醇和纯水依次洗净，即得到亲水性可溶胀硅橡胶。
以下实施例中硅橡胶性能的表征方法：
亲水性和溶胀率和接枝率有关，接枝率越高，亲水性和溶胀率越大。通过下列公式计算其接枝率、亲水性、溶胀率：
接枝率(％)＝(辐照后硅橡胶质量-辐照前的硅橡胶质量)/辐照前硅橡胶质量×100％。
亲水性(％)＝(完全吸水后的硅橡胶质量–烘干后的硅橡胶质量)/烘干后的硅橡胶质量×100％。
溶胀率(％)＝(完全吸水后的硅橡胶体积-烘干后的硅橡胶体积)/烘干后的硅橡胶体积×100％。
以下通过实施例的方式，对本发明技术方案进一步进行说明。
实施例1
取4.762mL丙烯酸和0.005g莫尔盐溶入45.233mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为10kGy/h，辐照剂量达到10kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。
同时设置空白对照组(0kGy)；经测试，其接枝率为1.4％。
实施例2
取4.762mL丙烯酸和0.025g硫酸铜溶入45mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.1kGy/h，辐照剂量达到1kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为8.1％。
实施例3
取4.762g苯乙烯磺酸钠和0.05g莫尔盐溶入45mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到1kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为16.6％。
实施例4
取10g N,N’-亚甲基双(丙烯酰胺)和0.005g莫尔盐溶入38mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到X射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到10kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为5.2％。
实施例5
取11.904mL丙烯酸和0.025g莫尔盐溶入38mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.1kGy/h，辐照剂量达到10kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为57％。
实施例6
取11.904mL丙烯酸和0.05g莫尔盐溶入38mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为5kGy/h，辐照剂量达到500kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为145.1％。
实施例7
取20mL丙烯酸和0.005g苯二酚溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到X射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为10kGy/h，辐照剂量达到10kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为13.3％。
实施例8
取20mL丙烯酸和0.025g莫尔盐溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为10kGy/h，辐照剂量达到10kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为21.9％。
实施例9
取20mL丙烯酸和0.05g硫酸铜溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到X射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为1kGy/h，辐照剂量达到10kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为54.6％。
实施例10
取20g N,N’-亚甲基双(丙烯酰胺)和0.125g莫尔盐溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到30kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为180％。
实施例11
取20mL丙烯酸和0.125g莫尔盐溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到工业电子加速器中，在常温常压下进行辐照，剂量率为1kGy/min，辐照剂量达到70kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为220％。
实施例12
取20mL甲基丙烯酸羟乙酯和0.05g莫尔盐溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到10kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为80％。
实施例13
取20mL甲基丙烯酸羟乙酯和0.125g莫尔盐溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到30kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为200％。
实施例14
取20mL甲基丙烯酸和0.125g硫酸铜溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到工业电子加速器中，在常温常压下进行辐照，剂量率为100kGy/min，辐照剂量达到500kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为220％。
实施例15
取20mL甲基丙烯酸和0.125g硫酸铜溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为10kGy/h，辐照剂量达到500kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为200％。
实施例16
取20g丙烯酰胺和0.125g莫尔盐溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到30kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为110％。
实施例17
取20g丙烯酰胺和0.125g莫尔盐溶入30mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到70kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为150％。
实施例18
取10g丙烯酰胺和0.1g莫尔盐溶入40mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到70kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为150％。
实施例19
取10g丙烯酰胺和0.1g莫尔盐溶入40mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到30kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为70％。
实施例20
取10g N-异丙基丙烯酰胺和0.1g莫尔盐溶入40mL水中，使其完全溶解，得到接枝液。将硅橡胶片用异丙醇和纯水处理，烘干称重。将处理好的硅橡胶片和接枝液放入西林瓶中除氧密封，将西林瓶放到Co-60γ射线辐照装置中，在常温常压下进行辐照，剂量率为0.48kGy/h，辐照剂量达到10kGy后取出，用丙酮、乙醇和纯水洗干净称重，测出接枝率。经测试，其接枝率为30％。
通过以上实施例表明，γ射线辐照可以使硅橡胶产生高能位点，使之与丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯等单体接枝。接枝率与γ射线辐射剂量、单体浓度、阻聚剂的浓度密切相关。例如，40wt％的丙烯酸在70kGy剂量下，阻聚剂浓度为0.25wt％时，接枝率最大，亲水性最高。γ射线剂量率也会影响接枝率，0.48kGy/h为较优剂量率。本方法做出的改性硅橡胶摒除了有害的交联剂、引发剂，提高了硅橡胶的安全性和纯净度，极高的接枝率使硅胶从强疏水性转成强亲水性。
以上实施例并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、用异丙醇，纯水依次清洗硅橡胶，烘干；
S2、将亲水性聚合物单体和阻聚剂溶于去离子水中，搅拌均匀，得到接枝液；
S3、将步骤S1中烘干后的硅橡胶和步骤S2所得接枝液放入储存装置中，充氮气排除氧气，然后密封；
S4、将密封后的储存装置置于辐射源中，在常温常压下进行辐照；
S5、辐照后取出，用丙酮、乙醇和纯水依次洗净，即得到亲水性可溶胀硅橡胶。
2.根据权利要求1所述的一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，硅橡胶是主链由硅和氧原子交替构成，硅原子上连有有机基团的橡胶。
3.根据权利要求2所述的一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，其特征在于，所述硅橡胶为甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、苯基硅橡胶、腈基硅橡胶、氟硅橡胶及其共聚物中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，亲水性聚合物单体为丙烯酸，甲基丙烯酸，丙烯酰胺，甲基丙烯酸羟乙酯，N-异丙基丙烯酰胺，N,N’-亚甲基双(丙烯酰胺)，苯乙烯磺酸钠中的一种或几种，在接枝液中的质量分数为1wt％-80wt％。
5.根据权利要求1所述的一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，阻聚剂为可溶性铜盐、铁盐、苯二酚中的一种或几种，在接枝液中的质量分数为0.01wt％-5wt％。
6.根据权利要求1所述的一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，辐射源为γ射线、X射线、工业电子加速器中的一种。
7.根据权利要求6所述的一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，其特征在于，所述γ射线和X射线辐照的剂量率为0.1-10kGy/h，所述工业电子加速器辐照的剂量率为1kGy-100kGy/min。
8.根据权利要求1所述的一种亲水性可溶胀硅橡胶的辐射化学制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，辐照剂量达到1kGy-100kGy后取出。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的方法制备的亲水性可溶胀硅橡胶，所述亲水性可溶胀硅橡胶的侧链接枝有亲水性聚合物，能在水中溶胀。
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| 段祥义等: "γ辐射硅橡胶固相接枝甲基丙烯酸甲酯的研究", 《广东化工》 * |
| 索晋玄等: "硅橡胶共辐射接枝甲基丙烯酸甲酯的研究", 《化工新型材料》 * |
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