雙網絡水凝膠的制備及其力學行為研究.pdf

1、自然界的動、植物等生物體大多是軟材料組成的，而水凝膠則是其中一種重要的、具有特殊結構的軟材料，這種軟材料是由充滿水的三維高分子網絡組成的。由于具有與生物組織的相似性、典型的響應性和溶脹性等一系列的特殊性質，水凝膠在藥物傳遞系統(tǒng)、組織工程、電子傳感和效應器件設計等諸多領域得到了廣泛的應用。然而，傳統(tǒng)水凝膠的力學特性較差，這使得水凝膠的應用被限制于那些對水凝膠的力學特性要求不高的地方，如藥物傳遞系統(tǒng)，吸水材料等。雖然水凝膠和生物體組織和器官

2、具有很大的相似性，然而填補合成的水凝膠和天然生物組織的水凝膠之間性能上的差距和并擴展水凝膠在生物體承載系統(tǒng)上的應用范圍，仍然是一個很關鍵的課題。因此，研究水凝膠的力學行為對于擴展水凝膠的應用具有重要的意義。
　　本文基于熱力學框架、連續(xù)介質力學理論以及高分子理論，我們首先制備了高力學強度和韌性的海藻酸鈣/聚丙烯酰胺雙網絡水凝膠，以及與其相對應的單網絡的藻酸鈣離子交聯(lián)水凝膠和聚丙烯酰胺共價交聯(lián)的水凝膠。然后，研究了水凝膠在低溫條件-

3、6℃到-45℃范圍內的一些特性，研究結果表明，與傳統(tǒng)水凝膠相比，海藻酸鈣/聚丙烯酰胺雙網絡水凝膠在常溫情況下表現(xiàn)出較好的力學特性。當溫度降低到-6℃到-10℃，水凝膠開始變白，此時水凝膠的模量發(fā)生了顯著的上升變化。但水凝膠整體上的力學行為和常溫下較為相近。當溫度降到-25℃時，水凝膠開始變得非常堅硬和展現(xiàn)出良好的塑性。當溫度降到-50℃時候，屈服現(xiàn)象開始消失，代替的是水凝膠變得脆性。這些研究結果表明，即使往冰中摻入少量的高分子網絡，卻能

4、讓冰從脆性轉化為韌性。基于水凝膠這種低溫力學行為，水凝膠的應用領域將被擴展。另外一方面，基于模仿軟骨的結構，制備了纖維增強水凝膠基復合材料，研究了沿垂直于纖維方向拉伸時復合材料薄膜的力學行為，建立了理論分析模型，得到了纖維增強型PAAm水凝膠中纖維的屈曲臨界伸長比。
　　含水量高達90 wt％在低溫條件下展現(xiàn)出的高強度，高延展性，以及能承受較高的壓力載荷和各種彎曲、扭轉、打結等大變形的特性，將會擴展水凝膠材料在低溫領域的應用價值。