摘 要

水凝胶是一类嵌入在富水环境中的高分子网络材料，是由具有化学或物理交联的亲水聚合物链组成的三维网络。它们被广泛应用于药物输送、致动器和传感器中。然而，传统合成的水凝胶由于其力学性能较差以及不可恢复而受到限制。近年来，水凝胶的研究主要集中在机械强化方面，从微观结构设计到水凝胶组分的调整。为了提高水凝胶的强度和韧性，本课题提出将高效的能量耗散机制集成到亲水网络中的策略，设计并制备高强韧可恢复的物理-化学杂化交联的聚丙烯酰胺/琼脂/聚乙烯醇（PAM/Agar/PVA）三网络（TN）水凝胶。并对其进行了机械性能测试，自愈合性能表征，FTIR和XRD表征。对比了单网络和双网络水凝胶，最后发现由于有效的能量耗散机制使得TN水凝胶有更强的韧性，在室温下有快速自我恢复和优异的抗疲劳性能。

关键词：聚丙烯酰胺 琼脂 聚乙烯醇 水凝胶 制备方法 应力应变检测 力学性能。

Abstract

Hydrogel is a kind of polymer network material embedded in water-rich environment. It is a three-dimensional network composed of hydrophilic polymer chains with chemical or physical crosslinks. They are widely used in drug delivery, actuators and sensors.However, traditional synthetic hydrogels are limited due to their poor mechanical properties and irreducibility. In recent years, the research of hydrogels mainly focuses on mechanical strengthening, from microstructure design to hydrogels composition adjustment.Research objective and content: in order to improve the strength and toughness of hydrogels, the strategy of integrating high efficiency energy dissipation mechanism into hydrophilic network was proposed in this study, and the physical-chemical hybrid crosslinked polyacrylamide /Agar/PVA (PAM/Agar/PVA) three-network (TN) hydrogels with high strength and resilience were designed and prepared. Mechanical properties, self-healing properties, FTIR and XRD were tested. Compared with the single-network and double-network hydrogels, it is found that the effective energy dissipation mechanism makes the TN hydrogels have stronger toughness, rapid self-recovery and excellent anti-fatigue performance at room temperature.

Keywords: polyacrylamide AGAR; polyvinyl alcohol hydrogel; preparation method; stress-strain detection; mechanical properties.

目 录

摘 要 I

Abstract II

文献综述 1

1.1 水凝胶概述 1

1.2 高强度水凝胶概述 1

1.2.1高强度水凝胶 1

1.2.2聚丙烯酸水凝胶概述 2

1.2.3聚乙烯吡咯烷酮水凝胶概述 2

1.3 共混水凝胶概述 3

1.3.1共混水凝胶 3

1.3.2多重网络结构水凝胶 3

1.4 本文研究内容 4

第二章 聚丙烯酰胺/琼脂/聚乙烯醇三网络水凝胶制备与表征 5

2.1 实验仪器与原料 5

2.1.1 实验仪器 5

2.1.2 实验原料 6

2.2 三网络水凝胶合成路线及机理 7

2.3 实验部分 7

2.3.1 PAM/Agar/PVA 三网络（TN）水凝胶制备 7

2.3.2 对照组水凝胶制备 8

2.4 相关表征及测试手段性能测试与表征 9

第三章 结果与讨论 10

3.1红外分析及X射线衍射分析 10

3.2 压缩和拉伸表征 11

3.3 循环测试 12

3.3.1 一次循环测试 12

3.3.2 不同应变处循环测试 13

3.3.3 连续循环测试 14

3.3.4 不同停留时间循环测试 15

第四章 结论 17

参考文献 18

致谢 21

文献综述

1.1 水凝胶概述

凝胶^[1]的定义是具有大量溶剂以及三维网络结构的一种聚合物。水凝胶为一种具有新型网状结构的高分子材料。它不能溶于水，但吸水能力强，可以显著肿胀，且保水能力更强，水凝胶材料由于优良的性能和实用性而被广泛使用，因为它可以带来巨大的社会效益和经济效益，因此，研究，开发，应用和生产水凝胶在全世界范围内都很火热^［2,3］。生物工程、水土科学、医学、生命科学等相关学科也随着水凝胶的发展而发展^［3,5］。有一种水凝胶很独特，它就是高分子水凝胶，它由大量的水及亲水聚合物网络组成。它们显示出许多有趣的功能，如体积相变，低表面摩擦和渗透率，这在固体材料中是无法实现的。因此，水凝胶作为一种新型功能材料受到了医学和工业领域的广泛关注。但是，传统的高分子水凝胶的缺点也很明显，如力学性能差、结构不均匀、润胀能力不好，对环境的响应不够灵敏。仅仅增加交联程度可以使凝胶网络的弹性下降，因此这种方法提高水凝胶的机械强度有限，常规水凝胶的强度通常太低，不能作为任何承重材料使用，为了提高合成水凝胶的机械强度近年来，大家更多的关注水凝胶的制备，通过内部微观结构变化从分子水平改变水凝胶是目前研究的热点。最近的合成进展使水凝胶的强度得到了提高，如滑环凝胶、纳米复合凝胶、双网络凝胶。

1.2 高强度水凝胶概述

1.2.1高强度水凝胶

高分子水凝胶应用有限的主要原因之一是难以获得强度高、形貌稳定的材料。事实上，人类的某些组织也可以当作是水凝胶。它们在低应力条件下容易变形，但有较高的断裂强度。这种特性是研究人员一直渴望的。曾经一度被认为不可能生产出同时具有高含水率(70%到90%)和高强度的材料。用天然高分子水凝胶如胶原蛋白和明胶生产稳定、坚固的材料通常是不可能的。因此，人们的希望寄托于合成高分子。

1.2.2聚丙烯酸水凝胶概述

聚丙烯酸是一种具有特殊性能的水溶性有机聚合物。其结构由水溶剂和三维网状结构聚合物组成，在水中可明显膨胀而不溶解^[6]。由于其独特的性能，在科学研究和应用开发中引起了广泛的关注。以聚丙烯酸为原料开发的聚丙烯酸水凝胶得到了广泛的应用。以丙烯酸为原料研制的退热胶具有良好的附着力和退热效果^[7]。可以吸附阳离子离子液体、表面活性剂及重金属。有一种良好的载体叫做水凝胶磁性微球。反应器为丙烯酸水凝胶，合成了超顺磁性Fe₃O₄粒子^[8]为肿瘤治疗、药物靶向等前沿的生物医用材料提供了制备方法和纳米平台，应用价值巨大^[9]。以乙丙橡胶为基本原料合成的水凝胶具有优异的保水吸水性，是一种可以用于农业抗旱的优良抗旱剂^[10]。

1.2.3聚乙烯吡咯烷酮水凝胶概述

聚乙烯吡咯烷酮，是可溶于大多数有机溶剂和水的高分子聚合物，具有良好的溶解度、成膜能力、结合能力、低毒、耐盐、耐酸、耐热、表面活性剂^[11]良好。水凝胶是由许多相互交联的线性分子链组成的具有三维结构的网状聚合物材料。由于其分子结构特性，不能溶于水，但吸水能力强，可以显著肿胀，且保水能力更强^[12,13]。水溶性聚合物PVP含有大量的亲疏水基团，这些基团可以交联形成网状结构，使得聚乙烯吡咯烷酮成为合成水凝胶的重要原料^[14,15]。聚乙烯吡咯烷酮水凝胶已得到广泛应用。Royn等报道了一种新型水凝胶(PVP/CMC)^[16]，具有较强的机械强度和良好的生物降解性。作为食品包装材料的新鲜水果，蔬菜和释放水分的食品。水凝胶膜可以吸收释放的水分，保持环境干燥，防止食品材料快速腐烂。PVP巨大的优势在于其耐水解和生物相容性,Butruk Rasjeza团队准备了PVP水凝胶涂层,涂层增加亲水聚合物的基本骨架,形成生物相容性的表面，进一步的研究表明PVP能降低红细胞的溶血，生物材料，并减少白蛋白，纤连蛋白和纤维蛋白原吸附，提高血管内导管和质膜的血液相容性。PVP水凝胶可以用来封闭孔洞，使视网膜变得平整，得益于其良好的粘弹性和网状结构，可作为玻璃体的最佳替代品。朱天等制备的PVP/SF水凝胶具有良好的透光性、膨胀性和抗压性，满足人工玻璃体部分的前提条件。

1.3 共混水凝胶概述

1.3.1共混水凝胶

共混高分子材料混合不同组分，再保留原有性能同时继承了各种优良性能，在开发新的高分子材料上是一个重要领域。凝胶是指聚合物链之间形成的物理或化学交联网络结构的膨胀、加热不溶性。它是一种浓缩的聚合物溶液，同时也是具有高弹性的一种固体。因此许多小分子能够扩散或渗透到它的内部，这对高分子材料的发展具有重要意义。共混物和凝胶的共同应用将在提高材料性能方面获得更广阔的空间和发展前景^[3,18]。

1.3.2多重网络结构水凝胶

Gong等人^[19]于2003年期间，进过研究，首次引出了双网络水凝胶这一新的概念。Gong等^[20，21]研究了如何设计高强度双网络水凝胶，并且总结了设计原则。他们得出用第一网络用刚性和脆性的聚电解质，第二网络用的是软和坚韧的中性聚合物。经由其可逆的网络，可以带来良好的自恢复和自愈性能。通过优化配方，良好的耗能性能使水凝胶的拉伸强度达到0.25MPa，断裂应变达到2400%。然而，DN凝胶仍然存在一个问题——缺乏成型能力。Tasuku Nakajima等通过合成自由形状的DN凝胶解决了DN凝胶成型性差的缺点，传统的DN凝胶只能形成有限的形状，如片状或圆盘状。DN凝胶的形状是由第一个网络PAMPS凝胶通过两步聚合作为“骨架”决定的。而pamp凝胶本身可以形成任意形状通过使用模具，由于其机械性能很差很难排出复杂pamp凝胶而不破坏它们由于其机械性能很差。Tasuku Nakajima等采用“双网络”结构解决了这个问题。Tasuku Nakajima等选择了PVA gel作为内部模具，因为它们非常灵活和相对坚固，复杂的结构形态可以形成。他们做了以下实验。首先他们合成了形态很复杂的PVA凝胶。第二，在PVA凝胶中聚合PAMPS网络。第三，在双网络凝胶已经存在的条件下加入合成了PAAm网络，最后合成PVA/PAMPS/PAAm三网络凝胶，它可以达到自由变换形态的性质。这些PVA-DN凝胶的力学性能与传统的DN凝胶相似。Liu Xuejiao等^[22]则以海藻酸钠做为分子框架，合成出了聚乙二醇-海藻酸钠/聚丙烯酰胺DN水凝胶。该水凝胶具有高弹性、高韧性、高强度和Wei Junhua等^[23]人采用两步法制备了单琼脂/聚二甲基丙烯酰胺(Agar/PDMA)双网络水凝胶。凝胶具有良好的自愈性和机械强度。Yang Yanyu等^[15]用盐溶液和碱溶液浸泡方法形成结或链缠结物理-化学混合物制备的聚丙烯酸-壳聚糖水凝胶(PAM - CS)双网络凝胶具有较高的抗拉强度，（抗拉强度达2 MPa)高韧性和良好的承载力。其优异的力学性能源于CS网络具有良好的耗能性能，而PAM网络在此过程中保持完好。

1.4 本文研究内容

本课题据以上资料及成果为了提高水凝胶的强度和韧性，本课题提出将高效的能量耗散机制集成到亲水网络中的策略，设计并制备高强韧可恢复的物理-化学杂化交联的聚丙烯酰胺/琼脂/聚乙烯醇（PAM/Agar/PVA）三网络（TN）水凝胶，用以弥补传统水凝胶力学性能上的不足。对此TN水凝胶进行机械性能测试。

聚丙烯酰胺/琼脂/聚乙烯醇三网络水凝胶制备与表征

2.1 实验仪器与原料

2.1.1 实验仪器

表2-1 实验仪器和设备

Tab.2-1 The experimental instruments and equipments

2.1.2 实验原料

表2-2 实验材料和试剂

中文名	英文名	产品规格	厂家
丙烯酰胺	Acrylamide (AM)	AR, 99%	Aladdin
琼脂糖	Agarose (Agar)	凝胶强度gt;1000 g·cm-2, 熔点为89-93℃, 电泳等级	大连美仑生物技术有限公司
聚乙烯醇	Poly(vinyl alcohol) (PVA)	醇解度:98～99% (mol/mol)	Aladdin
N,N’-亚甲基双丙烯酰胺	N, N’-methylenebis (acrylamide) 相关图片展示： 您需要先支付 80元 才能查看全部内容！立即支付 课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。 最新文档 泗阳县中小学足球运动的现状调查与对策研究 南京市雨花台中学校园足球活动开展制约因素调查分析 酒店管理系统的设计与实现 基于安卓的公路客运售票系统的设计与实现 淮安市金湖三所高中女生耐力跑的现状调查及对策研究 连云港市灌云县初级中学体育课开展情况调查与分析 连云港市新浦区业余网球运动发展现状与市场前景探讨 影响铜山区初中生选择课余体育体育锻炼项目的因素分析 浅析刘锦棠对新疆环境治理的贡献 洪泽县城区中学开设羽毛球课程现状调查与研究 宿迁市宿城区中学开展篮球运动现状的调查分析 高校健美操教学中学生学习兴趣培养的研究 关于宿迁市区三所高中的校园篮球开展状况的调查分析 联系我们 加微信咨询 加QQ咨询 服务时间：09:00-23:50(周一至周日)   