水凝胶是经过交联作用形成的具有三维网络结构的不溶不熔的亲水性聚合物。水凝胶具有良好的生物相容性和其他优异性能,例如:环境响应性、抗菌性、自修复性、超吸水性等。这些特点使水凝胶在生物医药、传感器、自修复材料和保水抗旱等方面有着广泛的应用前景。然而传统的化学交联的水凝胶力学性能差,在很大程度上限制了水凝胶在实际应用领域的发展。经过系列研究,人们开发出了各种结构新颖的高力学性能的水凝胶。其中,复合水凝胶和互穿网络水凝胶(Interpenetrating network hydrogel,IPN gel)由于其简单的制备方法和优异的力学性能而成为当今研究的热点。纳米纤维素晶体(Cellulose nano-crystals;CNs):一方面,是一种优异的生物增强材料,可以和水凝胶复合制备高强度超拉伸纳米复合水凝胶;另一方面,作为乳液稳定粒子,CNs还能够用来制备Pickering乳液,从而进一步制备乳液复合水凝胶(Emulsions composite hydrogels,ECG gel)和IPN水凝胶。本工作以改善水凝胶的力学性能为出发点,结合CNs的优异性能,分别制备了具有高强度超拉伸性能的CNs/PAM纳米复合水凝胶、ECG水凝胶和IPN水凝胶。本研究的主要内容和结果如下:1.采用改进后的酸解法,用浓H2SO4酸解桉木浆制备CNs,然后在过硫酸铵(Ammonium persulphate,APS)的作用下对CNs进行简单的改性,热引发制备高强度超拉伸CNs/PAM水凝胶材料。讨论CNs浓度、丙烯酰胺(Acrylamide,AM)含量、APS含量对水凝胶性能的影响。并通过其反应机理、宏观力学性能、溶胀性能和扫描电镜形貌分析推测CNs/PAM水凝胶的制备原理。实验结果表明:同其他纳米复合水凝胶一样,CNs/PAM水凝胶呈现典型的蜂窝状结构、在其断面存在大量的PAM包覆的CNs须。只要加入极少量的物理交联剂CNs就可以大幅增加水凝胶的力学强度和断裂伸长率。当CNs浓度为0.5 mg/ml时,CNs/PAM水凝胶的力学性能最好,断裂伸长率达到3183%,断裂强度也有81.4 KPa。另外,单体AM浓度是聚合物网络形成的关键。APS作为引发剂又作为改性剂,是制备超拉伸水凝胶的关键,直接影响着水凝胶的交联度和聚合物动力学链长等。2.以CNs为稳定粒子,制备不同内相体积、不同交联密度的乳液复合水凝胶。讨论其内相体积和交联剂浓度对水凝胶结构和性能的影响。通过对乳液及其乳液复合水凝胶的形貌、溶胀性能、力学性能的分析,我们得出:内相体积增加,聚合物组分减少,水凝胶交联密度降低,水凝胶的应力集中和交联缺陷增加。总的来说,乳液法制备复合水凝胶对其力学性能的增强作用有限。以乳液复合水凝胶为模板制备高强度IPN水凝胶,我们可以大幅度的增强水凝胶的力学性能。仔细讨论了第一、二网络对IPN水凝胶性能的影响,探讨了其力学增强的原理。以乳液复合水凝胶为模板制备的高强度IPN水凝胶具有很好的可行性、可控性和普适性。
