微凝膠復合高強度水凝膠的制備及性能研究.pdf

1、水凝膠是三維網(wǎng)絡狀的吸水性聚合物，廣泛應用于土壤改良、生活衛(wèi)生、生物醫(yī)藥等方面。傳統(tǒng)水凝膠由于機械性能差而大大限制了其應用，近年來通過從分子水平上改進水凝膠內(nèi)部微結構，從而提高水凝膠機械強度的方法引起越來越多研究者的興趣。本文采用吸水性的反應性微凝膠作為多功能交聯(lián)劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小分子交聯(lián)劑制備微凝膠復合高強度水凝膠，同時改變聚合方法和原料配比得到層狀和線性高強度水凝膠，以及結合微凝膠復合水凝膠和互穿網(wǎng)絡結構水凝膠的優(yōu)點制備出超高強度的水凝

2、膠。本文主要研究內(nèi)容有以下幾個方面：
　　 1、采用含活性羥甲基的反應性微凝膠作為潛在的多功能交聯(lián)劑，通過后交聯(lián)法制備高強度的微凝膠復合(MC)水凝膠。首先通過反相乳液聚合制備含有羥甲基的反應性微凝膠，所用的聚合單體主要為丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-羥甲基丙烯酰胺(NMA)，然后用該反應性微凝膠為潛在的交聯(lián)劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小分子交聯(lián)劑分散于聚合體系AM/AMPS中進行自由基聚合得到微凝膠復合聚合

3、物，聚合完成后通過加熱或先脫水再加熱的方法，使微凝膠復合聚合物內(nèi)的反應性微凝膠與聚合物鏈發(fā)生后交聯(lián)反應，制備出高強度的MC水凝膠。當直接加熱含水量為75％的微凝膠復合聚合物時，主要發(fā)生的交聯(lián)反應是氫鍵等物理交聯(lián)，例如90℃條件下直接加熱微凝膠復合聚合物4 h，在含水量為90％時，得到斷裂拉伸強度為32 kPa和斷裂伸長率為960％的高強度MC水凝膠。當微凝膠復合聚合物先部分脫水再加熱時，發(fā)生的交聯(lián)反應則有共價鍵等化學交聯(lián)，例如先將微凝膠

4、復合聚合物脫水至含水量為50％，然后在90℃條件下加熱該微凝膠復合聚合物3 h，得到斷裂拉伸強度為130 kPa和斷裂伸長率為503％的高強度MC水凝膠。這種后交聯(lián)方法有可能成為一種新的制備高強度水凝膠的簡便方法。
　　 2、直接利用含有C=C雙鍵的高活性的反應性微凝膠(HRM)為多功能交聯(lián)劑制備高強度的HRM水凝膠。首先通過反相乳液聚合制備吸水性微凝膠(HM)，然后用NMA在反相乳液中通過化學改性得到HRM，最后用HRM代替?zhèn)?/p>

5、統(tǒng)的小分子交聯(lián)劑直接在聚合過程中發(fā)生交聯(lián)而得到高強度的HRM水凝膠。微凝膠和外部水凝膠所用的單體都是AM和AMPS，HM和HRM分別通過激光粒度散射儀、SEM、TEM和FTIR等進行了表征。該水凝膠由于具有獨特的微凝膠復合結構而具有優(yōu)異的拉伸和壓縮性能，例如當HRM水凝膠中HRM含量為2.4wt.％，AM含量為20wt.％，AMPS含量為0.5wt.％時，在含水量為93.40％時，壓縮應變?yōu)?0％時，壓縮強度達4.60 MPa時仍未破壞

6、，斷裂伸長率為323％，斷裂拉伸強度為255 KPa。這種方法為高強度水凝膠的制備開創(chuàng)了另一種新的思路。
　　 3、為進一步優(yōu)化HRM水凝膠的改性和聚合條件，討論了改性及聚合過程中的一些影響因素。試驗得到由HM改性為HRM的最佳條件是：HM反相乳液用量為70 g時，NMA用量為8 g，6 mol/L，鹽酸用量為0.8 ml，反應溫度為60℃，反應時間為4 h，得到的HRM的雙鍵含量為1.82％。在HRM含量為2.5wt.％，AM

7、濃度為10wt.％，AMPS濃度為2.5wt.％，引發(fā)劑用量為過硫酸銨1.5 mg和N，N，N’，N’-四甲基乙二胺20μl時，得到的HRM水凝膠在含水量為90％的測試條件下，在壓縮應變?yōu)?5％時，壓縮強度為8.08 MPa，該水凝膠未被破壞，而在類似條件下得到的普通水凝膠的壓縮強度只有0.38 MPa。在實際應用過程中，可以根據(jù)用途通過改變HRM的雙鍵含量、HRM含量或AM濃度等來調(diào)節(jié)HRM水凝膠的強度和柔韌性。HRM水凝膠的吸水速率

8、慢于普通水凝膠，但失水速率快于普通水凝膠，這與HRM水凝膠獨特的內(nèi)部結構有關。本章內(nèi)容是對上一章內(nèi)容的重要補充，也是探討HRM水凝膠必不可少的一個步驟。
　　 4、在高強度HRM水凝膠的基礎上，改變聚合條件，控制聚合過程，利用前線光聚合成功制備出具有毫米級厚度的高強度多層HRM水凝膠。該水凝膠水平方向具有優(yōu)異的機械性能，根據(jù)HRM粒子在水凝膠的含量不同，在飽和吸水率為24.11-29.45時，其斷裂伸長率在1137％到1420％

9、之間，斷裂拉伸強度在24.63-21.68 kPa之間。垂直方向的強度很弱，可以很容易的用手分開。該水凝膠通過DSC、TEM和XRD等進行了表征。利用這種新穎、簡便的方法得到的多層高強度HRM水凝膠類似人體的皮膚，在生物組織等方面具有潛在的應用價值。
　　 5、通過控制引發(fā)劑用量和聚合速度等，采用含C=C雙鍵的反應性微凝膠作為多功能交聯(lián)劑，利用前線光聚合方法得到全新的單方向線性高強度HRM水凝膠。該水凝膠的飽和吸水率只有12.2

10、3-17.23，只有一個方向具有優(yōu)異的機械性能，該方向上斷裂伸長率為611-872％，斷裂拉伸強度為74.45-47.86 KPa。而另外兩個方向的機械強度則很弱，得到的水凝膠類似人體的呈纖維狀的肌肉組織。
　　 6、利用得到的HRM水凝膠吸收AM水溶液后進行第二次聚合，結合微凝膠復合水凝膠和互穿網(wǎng)絡結構水凝膠的優(yōu)點，得到超高強度的微凝膠復合與互穿網(wǎng)絡結構(MCI)水凝膠。該水凝膠的吸水量較低，但機械強度很高。在AM用量是在初始