基于雙網(wǎng)絡(luò)增韌機(jī)理的水凝膠制備與性能研究.pdf

1、分類號(hào)：TB324單位代碼：?jiǎn)挝淮a：10190研究生學(xué)號(hào)：研究生學(xué)號(hào)：201309025密級(jí)：無(wú)碩士學(xué)位論文基于雙網(wǎng)絡(luò)增韌機(jī)理的水凝膠制備與性能研究Preparationperfmanceofhydrogelsbasedondoublewktougheningmechanism研究生姓研究生姓名：名：劉雪姣劉雪姣專業(yè)：業(yè)：材料學(xué)材料學(xué)指導(dǎo)教師姓名：指導(dǎo)教師姓名：高光輝高光輝指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師職稱職稱：教授2016年4月碩士學(xué)位論文I摘要

2、作為一種軟而濕的材料，水凝膠很容易讓人們聯(lián)想到軟的生物組織，在過(guò)去30年里，水凝膠作為軟組織工程支架的候選材料已得到廣泛的研究。傳統(tǒng)水凝膠往往性質(zhì)較軟弱，易脆，伸縮性很有限。然而，許多應(yīng)用比如軟機(jī)器人和軟骨組織支架，需要水凝膠能夠在周圍環(huán)境中承受巨大的機(jī)械載荷。目前，盡管相關(guān)工作已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，開(kāi)發(fā)機(jī)械強(qiáng)韌化學(xué)穩(wěn)定的水凝膠仍面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的雙網(wǎng)絡(luò)(DN)水凝膠是由兩個(gè)化學(xué)交聯(lián)的且不對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，具有超高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。然而

3、，傳統(tǒng)的DN水凝膠的制備方法仍具有一定的局限性：首先，第一網(wǎng)絡(luò)的候選材料受限于強(qiáng)聚電解質(zhì)；其次，整個(gè)多步的聚合過(guò)程是比較繁瑣耗時(shí)的，通常包括溶脹過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程。并且對(duì)于新型DN水凝膠的探索和發(fā)展仍處于早期階段。本論文在傳統(tǒng)雙網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，分別做了三部分工作。第一部分，我們選取天然聚電解質(zhì)海藻酸鈉(SA)作為分子支架，中性合成聚合物聚乙烯醇(PVA)作為第一網(wǎng)絡(luò)，中性聚合物聚丙烯酰胺(PAM)作為第二網(wǎng)絡(luò)，成功制備了具有超高拉伸性，透明的，

4、強(qiáng)韌PVASAPAMDN水凝膠。中性合成聚合物聚乙烯醇通過(guò)縮聚聚合得到三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即第一個(gè)半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(semiIPN)。分子支架海藻酸鈉的引入促進(jìn)聚乙烯醇半互穿水凝膠在第二網(wǎng)絡(luò)單體混合液中的溶脹及其機(jī)械性能的改進(jìn)。PVASAPAMDN水凝膠在含水量為90wt%時(shí)斷裂應(yīng)變達(dá)2400%且最大壓縮強(qiáng)度高達(dá)35.2MPa，此數(shù)值是PVASAsemiIPN水凝膠(0.9MPa)的39倍。分子支架方法的提出拓寬了雙網(wǎng)絡(luò)概念的應(yīng)用范圍。第二部分

5、工作中，我們利用一種物理凝膠瓊脂(Agar)凝膠作為第一網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)一鍋法制備得到了機(jī)械強(qiáng)度較高的AgarPAMDN水凝膠。整個(gè)合成過(guò)程是通過(guò)一個(gè)加熱冷卻的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，消除了不可控的溶脹和不必要的擴(kuò)散過(guò)程。第三部分工作是在第二部分工作基礎(chǔ)上，我們通過(guò)向P(AMcoAA)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部引入線性多糖瓊脂，利用瓊脂凝膠的熱可逆性，成功制備了高拉伸強(qiáng)韌型pH敏感AgarP(AMcoAA)DN水凝膠。其中，我們使用親水性長(zhǎng)鏈分子聚乙二醇二丙烯酸酯(PE

6、GDA)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小分子化學(xué)交聯(lián)劑MBA用于丙稀酸類單體的自由基聚合，結(jié)果使得水凝膠的拉伸性及親水性得到明顯提高。同時(shí)，AgarP(AMcoAA)DN水凝膠展示了優(yōu)良的可逆溶脹行為和一定的形狀可恢復(fù)性。在拉伸應(yīng)變?yōu)?00%時(shí)，AgarP(AMcoAA)DN水凝膠的拉伸強(qiáng)度達(dá)182kPa，耗散能高達(dá)1.22MJm3，這明顯優(yōu)于P(AMcoAA)水凝膠(拉伸強(qiáng)度51kPa，耗散能0.27MJm3)。在壓縮應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，壓縮強(qiáng)度及耗散能高達(dá)