雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備及其力學(xué)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(jié)構(gòu)的軟材料，這種軟材料是由充滿水的三維高分子網(wǎng)絡(luò)組成的。由于具有與生物組織的相似性、典型的響應(yīng)性和溶脹性等一系列的特殊性質(zhì)，水凝膠在藥物傳遞系統(tǒng)、組織工程、電子傳感和效應(yīng)器件設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)水凝膠的力學(xué)特性較差，這使得水凝膠的應(yīng)用被限制于那些對水凝膠的力學(xué)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(bǔ)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(kuò)展水凝膠在生物體承載系統(tǒng)上的應(yīng)用范圍，仍然是一個(gè)很關(guān)鍵的課題。因此，研究水凝膠的力學(xué)行為對于擴(kuò)展水凝膠的應(yīng)用具有重要的意義。
　　本文基于熱力學(xué)框架、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論以及高分子理論，我們首先制備了高力學(xué)強(qiáng)度和韌性的海藻酸鈣/聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，以及與其相對應(yīng)的單網(wǎng)絡(luò)的藻酸鈣離子交聯(lián)水凝膠和聚丙烯酰胺共價(jià)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(nèi)的一些特性，研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)水凝膠相比，海藻酸鈣/聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠在常溫情況下表現(xiàn)出較好的力學(xué)特性。當(dāng)溫度降低到-6℃到-10℃，水凝膠開始變白，此時(shí)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(xué)行為和常溫下較為相近。當(dāng)溫度降到-25℃時(shí)，水凝膠開始變得非常堅(jiān)硬和展現(xiàn)出良好的塑性。當(dāng)溫度降到-50℃時(shí)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(jié)果表明，即使往冰中摻入少量的高分子網(wǎng)絡(luò)，卻能

4、讓冰從脆性轉(zhuǎn)化為韌性。基于水凝膠這種低溫力學(xué)行為，水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈粩U(kuò)展。另外一方面，基于模仿軟骨的結(jié)構(gòu)，制備了纖維增強(qiáng)水凝膠基復(fù)合材料，研究了沿垂直于纖維方向拉伸時(shí)復(fù)合材料薄膜的力學(xué)行為，建立了理論分析模型，得到了纖維增強(qiáng)型PAAm水凝膠中纖維的屈曲臨界伸長比。
　　含水量高達(dá)90 wt％在低溫條件下展現(xiàn)出的高強(qiáng)度，高延展性，以及能承受較高的壓力載荷和各種彎曲、扭轉(zhuǎn)、打結(jié)等大變形的特性，將會擴(kuò)展水凝膠材料在低溫領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。