木质素磺酸钠刺激响应性水凝胶的合成及其性能研究

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水凝胶是在3D柔性网络中含水量高的经典软材料,具有分层多孔结构,粘弹性,透明性,可拉伸性和生物相容性的许多结构和功能优势。本文以木质素磺酸钠(LGSNa+)、丙烯酰胺(AAm)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)为原料,N,N’-亚甲基双(丙烯酰胺)(MBA)为交联剂,过硫酸铵(APS)为引发剂,N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TMEDA)为促进剂,制备了三种木质素磺酸钠刺激响应性水凝胶。(1)采用接枝法将木质素磺酸钠接入聚丙烯酰胺水凝胶中,合成了聚丙烯酰胺-木质素磺酸钠水凝胶,通过浸泡工艺将钼酸铵引入水凝胶网络中实现视觉显示。UV-Vis、FT-IR和SEM分别测量了木质素磺酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的吸光度和透明度、结构、形貌。UV-Vis测量结果表明该水凝胶具有低成本,易于制备,5 min内快速响应的优异性能。FT-IR测量结果表明成功将木质素磺酸钠接入聚丙烯酰胺水凝胶中。SEM研究结果表明,水凝胶在完全干燥后表现出致密的结构,这使得水凝胶在光致变色后不易褪色。(2)通过氢键作用,合成了由聚乙烯醇(PVA)和互穿木质素磺酸钠-聚丙烯酰胺(LGSNa+-PAAm)网络组成的可拉伸和透明的柔性电致传感水凝胶。万能试验机、UV-Vis、FT-IR、SEM和电化学工作站分别对木质素磺酸钠/聚丙烯酰胺/聚乙烯醇柔性水凝胶的力学性能、透明度、结构、形貌和压力传感性能的测定。FT-IR测试结果表明PVA通过氢键作用成功接入水凝胶中。力学测试结果表明水凝胶的拉伸应变由88%增大至296%,水凝胶的压缩应力由0.195 MPa提高到0.243 MPa,说明PVA的加入提高了水凝胶的柔韧性。UV-Vis测试结果表明水凝胶膜具有光学透明度。SEM研究结构表明水凝胶表面具有均匀的自图案化微结构,在粗糙表面上存在起皱的微结构和互连的脊可以增加基于水凝胶传感器的接触面积和灵敏度。压力传感性能测定结果表明,基于柔性水凝胶的应变传感器可以检测微小形变和人体语音识别。(3)将LGSNa+接入NIPAAm水凝胶,合成了一种具有温敏响应性的LGSNa+水凝胶。FT-IR和SEM分别测量了木质素磺酸钠/聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的结构和形貌。FT-IR测试结果表明LGSNa+成功接入NIPAAm水凝胶中。SEM测试结果表明孔洞致密度和孔径随着LGSNa+含量的增加,而呈现先增加后减小的趋势。当LGSNa+的含量为0.5 mg/mL时,水凝胶的孔洞致密,孔径增加。但随着LGSNa+含量的进一步增加,水凝胶孔洞稀疏,溶胀/消溶胀行为分析表明水凝胶中LGSNa+的含量为0.5 mg/mL,溶胀率增大至13.99,当LGSNa+的含量进一步增加至2.0 mg/mL时,水凝胶的溶胀率降低至8.294,大孔径有利于吸水和失水;药物控释结果表明,控制释放速度的因素随着药物的类型而变化,亚甲基蓝(MB)的扩散主要是化学相互作用,叶酸(FA)的扩散主要为物理扩散。
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