论文部分内容阅读
水凝胶是一类集吸湿、保水、缓释、柔软于一体的功能高分子材料，因其独特的高拉伸性、吸水保湿性、软组织状等而被广泛应用于卫生用品、农业、生物医药等领域，然而水凝胶脆性易碎、可塑性差等缺点极大地限制了其应用。基于互穿网络（IPN）拓扑互锁的增强结构特点，在同步互穿基础上再分别通过离子交联、分子间氢键辅助增强，提高水凝胶力学强度的同时确保水凝胶成型性。采用N’N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）为交联剂，过硫酸铵（APS）为引发剂，改变引发剂浓度、交联时间、反应温度、交联剂用量制备PAM水凝胶，采用平衡溶胀率（ESR）来反映其网络结构，结果表明：在APS0.6%mol L-1，交联剂N’N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）0.05mol%时，经60°C反应2h制备的PAM水凝胶网络结构较完善，此时ESR为24。拉伸测试表明随着交联剂浓度增加，水凝胶拉伸强度降低，结合橡胶弹性理论分析说明化学交联的PAM水凝胶强力较大程度上取决于分子柔性。通过IPN技术引入离子交联网络增强水凝胶，首先将线性SA同步引入PAM水凝胶网络制备PAM/SA semi-IPN水凝胶，再通过CaCl2后交联，形成共价/离子交联的PAM/SA IPN水凝胶。凝胶形成表明PAM/SA互穿网络水凝胶可塑性好，通过变换模具可呈现不同形状。TGA测试表明PAM/SAIPN水凝胶热稳定性高于构成水凝胶结构的单一网络。分析不同MBA和SA含量下PAM/SAsemi-IPN及IPN水凝胶溶胀行为，表明PAM/SA semi-IPN水凝胶的吸水溶胀属于非Fick扩散，高分子链段松弛占主导地位；相反，PAM/SAIPN水凝胶吸水溶胀为Fick扩散，是扩散控制过程。研究组分配比、离子交联对PAM/SAsemi-IPN及IPN水凝胶力学及溶胀性能的影响，表明：随着MBA浓度增加，PAM/SA semi-IPN及IPN水凝胶ESR均表现出现增加后降低的趋势，而拉伸强度却逐渐降低；增加水凝胶体系中SA含量，PAM/SA semi-IPN水凝胶ESR增加，但PAM/SA IPN水凝胶ESR却降低；交联剂0.05mol%，SA20wt%下制备的PAM2-0.05/SA20semi-IPN水凝胶经2wt%CaCl2溶液处理24h得到PAM2-0.05/SA20IPN水凝胶，表现出较高的综合力学性能，拉伸强度可达1.96MPa，可与传统双网络（DN）水凝胶媲美。力学分析说明松散化学交联的PAM与紧密离子交联的SA协同作用提高PAM/SA IPN水凝胶强力。在IPN基础上设计构筑分子间氢键进一步提高水凝胶强力，采用同步IPN技术将PVP引入柔性PAM网络中制备PAM/PVP semi-IPN水凝胶，并对其溶胀及力学性能进行研究。分析不同单体浓度、MBA用量、PVP含量下PAM/PVP semi-IPN水凝胶溶胀行为，表明PAM/PVP semi-IPN水凝胶溶胀速率取决于溶剂扩散，为Fick扩散过程。考察AM浓度、MBA用量、PVP含量、水凝胶含水率对PAM/PVP semi-IPN水凝胶物理机械性能的影响。结果表明：随着AM浓度、MBA用量、PVP含量增加，水凝胶ESR均降低；在PAM中引入PVP，水凝胶拉伸强度明显提高，当n(AM)为6mol L-1，n(MBA)/n(AM)=1.6710-4，m(PVP)/m(AM)=7.51%时制备的PAM6-1.67/PVP7.51semi-IPN水凝胶机械性能较好，拉伸强度达到1.84MPa，断裂伸长率可达3322%；随着含水率增加，水凝胶拉伸强度及断裂伸长率均有所降低。红外光谱、TGA及水凝胶形态分析表明PVP与PAM之间存在氢键。力学分析表明松散化学交联的PAM在PVP氢键作用下强力明显提高。在NIPAM中引入AM制备温敏性P(NIPAM-co-AM)共聚水凝胶，随着体系中亲水单体AM比例增大，共聚水凝胶溶胀率及保水率均提高，LCST向高温方向移动，温敏性降低。AM/NIPAM投料比是影响水凝胶温敏性能最主要的因素，根据DSC分析，当w(AM)从2%提高到10%时，水凝胶LCST从38.61°C增加到57.95°C。而随着交联剂用量提高，水凝胶溶胀率及力学强度下降，保水率增加，但交联剂浓度对LCST几乎无影响。在P(NIPAM-co-AM)中分别引入离子交联的海藻酸钠、PVP后，制备得到的P(NIPAM-co-AM)/SA IPN及P(NIPAM-co-AM)/PVP semi-IPN水凝胶的强力明显改善，仍表现出温度敏感性，且互穿成分对其相变温度基本无影响。