高弹性双网络水凝胶的制备及其性能研究

樊凯奇; 贾彩敬; 赵帅; 岳凡; 韩光鲁; 王利霞; 尹志刚; 宋健

doi:10.3969/j.issn.2096-1553.2017.6.005

高弹性双网络水凝胶的制备及其性能研究

郑州轻工业学院材料与化学工程学院, 河南郑州 450001;
天津大学化工学院, 天津 300072
基金项目: 国家自然科学基金项目（21276188，21606211）；河南省科技攻关项目（152102210358）；河南省高等学校重点科研项目（16A530010）；郑州轻工业学院科研基金项目（2015XJJZ032）；郑州轻工业学院博士基金项目（2014BSJJ061）
中图分类号: O645

Study on preparation and properties of highly elastic dual-network hydrogels

College of Material and Chemical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450001, China;
School of Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Received Date: 2017-09-13
Available Online: 2017-11-15
CLC number: O645

摘要: 以丙烯酸和琼脂为主要原料、Fe²⁺/过硫酸铵为氧化/还原引发体系，制备具有高弹性的双网络水凝胶.通过研究丙烯酸和Fe²⁺含量对水凝胶性能的影响，得出适宜的工艺条件为琼脂溶液质量浓度1%，丙烯酸质量分数30%，过硫酸铵质量分数1.5%，N，N'-亚甲基双丙烯酰胺质量分数0.3%，硫酸亚铁质量分数0.050%.对该条件下制备的水凝胶的力学性能进行分析测试发现，水凝胶的断裂拉伸率可达225%，抗压能力可达4 MPa，具有良好的拉伸和压缩性能.利用SEM，IR对该水凝胶进行微观形貌分析和结构表征发现，水凝胶的微观形貌具有纤维网络结构，纤维直径约为100 nm，琼脂与聚丙烯酸之间存在分子间氢键作用，Fe³⁺与聚丙烯酸分子中的羧酸基因发生了金属络合作用.
- 双网络水凝胶 /
- 氧化/还原引发 /
- 丙烯酸 /
- 高弹性凝胶
Abstract: Dual-network hydrogels with high elasticity were prepared by oxidation/reduction (Fe²⁺/ammonium persulfate) initiation system using acrylic acid and agar as the main raw materials.The optimum conditions were obtained as follows:agar mass concentration was 1%,masacrylic acid concentration was 30% (mass fraction),ammonium persulfate concentration was 1.5% (mass fraction),N,N'-Methylenebisacrylamide concentration was 0.3% (mass fraction),and ferrous sulfate concentration was 0.050% (mass fraction).Through the analysis of the mechanical properties of the gel,it was found that the tensile elongation of the gel was 225% and the compressive capacity was 4 MPa,exhibiting good stretch and compression performance.The microstructure of the hydrogel were analyzed by IR using SEM.The results showed that the hydrogel has a fiber network structure with a fiber diameter of about 100 nm, there was intermolecular hydrogen bonding between agar and polyacrylic acid and the metal complexation between Fe³⁺ and polyacrylic acid molecules.
- dual-network hydrogels /
- oxidation/reduction initiation /
- acrylic acid /
- high elasticity gel
1. [1]
  TAN R,NIU X,GAN S,et al.Preparation and characterization of an injectable composite[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2009,20(6):1245.
2. [2]
  YOSHIDA K,SEKINE T,MATSUZAKI F.Stability of vitamin A in oil-in-water-in-oil-type multiple emulsions[J].Journal of the American Oil Chemists' Socirty,1999,76(2):1.
3. [3]
  DENG J,LUO Y,ZHANG L M.PEGylated polyamidoamine dendron-assisted encapsulation of plasmid DNA into in situ forming supramolecular hydrogek[J].Soft Matter,2011,7(13):5944.
4. [4]
  SLAUGHTER B V,KHURSHID S S,FISHDER O Z.Hydrogels in regenerative medicine[J].Advanced Materials,2009,21(32/33):3307.
5. [5]
  彭志明,陈晓明.水凝胶作为软质隐形眼镜材料的应用[J].武汉工程大学学报,2009,31(7):76.
6. [6]
  张小铿,陈乾华,梁国康,等.利用响应面分析法优化聚乙烯醇水凝胶面膜配方[J].广东化工,2016,43(22):24.
7. [7]
  蔡宏,娄思权,王志国,等.聚乙烯醇水凝胶弹性体复合物修复关节软骨缺损的实验研究[J].中国康复医学杂志,2004,19(5):337.
8. [8]
  GONG J P.Why are double network hydrogels so tough?[J].Soft Matter,2010,6(2):583.
9. [9]
  FUKASAWA M,SAKAI T,CHUNG U I,et al.Synthesis and mechanical properties of a nanocomposite gel consisting of a tetra-PEG/clay network[J].Macromolecules,2010,43(9):4370.
10. [10]
  王雪珍,汪辉亮.具有规整结构和高强度的水凝胶研究进展[J].高分子通报,2008(3):1.
11. [11]
  YANG M,LIU C,LI Z Y,et al.Temperature-responsive properties of poly(acrylic acid-coacrylamide) hydrophobic association hydrogels with high mechanical strength[J].Macromolecules,2010,43(24):10645.
12. [12]
  REN X Y,YU Z,LIU B J,et al.Highly tough and puncture resistant hydrogels driven by macromolecular microspheres[J].RSC Advances,2016,6:8956.
13. [13]
  LIU P, JIANG L, ZHU L, et al. Novel covalently cross-linked attapulgite/poly (acrylic acid-co-acrylamide) hybrid hydrogels by inverse suspension polymerization:synthesis optimization and evaluation as adsorbents for toxic heavy metals[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2014,53(11):4277.
14. [14]
  ABDURRAHMANOGLU S,CAN V,OKAY O.Design of high-toughness polyacryl-amide hydrogels by hydrophobic modification[J].Polymer,2009,50(23):5449.
1. [1]
  刘瑞雪 , 李迎博 , 李义梦 , 周腾 . 壳聚糖-柠檬酸/聚丙烯酰胺双网络水凝胶的构筑与性能研究. 轻工学报, 2020, 35(1): 63-71. doi: 10.12187/2020.01.008
2. [2]
  刘瑞雪 , 陈纪超 , 李迎博 , 周腾 , 王亚玲 . 明胶/聚甲基丙烯酸复合水凝胶的制备及其性能研究. 轻工学报, 2020, 35(6): 50-59. doi: 10.12187/2020.06.007
3. [3]
  李敏 , 周立明 , 高丽君 , 王刚强 , 方少明 . 丙烯酸酯类聚氨酯材料耐候性的研究. 轻工学报, 2014, 29(6): 43-47. doi: 10.3969/j.issn.2095-476X.2014.06.011
4. [4]
  刘瑞雪 , 周腾 , 樊晓敏 , 李云秋 , 冯皓泽 . 明胶基复合水凝胶研究进展. 轻工学报, 2018, 33(6): 42-54,81. doi: 10.3969/j.issn.2096-1553.2018.06.006
5. [5]
  王赫 , 李晶晶 , 魏宏亮 , 王刚 , 楚晖娟 , 朱靖 . 水凝胶在缓/控释肥料中应用的研究进展. 轻工学报, 2017, 32(6): 43-55. doi: 10.3969/j.issn.2096-1553.2017.6.006
6. [6]
  刘瑞雪 , 李义梦 , 樊晓敏 , 李迎博 , 张浩然 . 魔芋葡甘聚糖基水凝胶的研究进展. 轻工学报, 2018, 33(3): 16-29. doi: 10.3969/j.issn.2096-1553.2018.03.003
7. [7]
  刘瑞雪 , 李迎博 , 陈纪超 . 基于pH调节的CMCS-PMMS/PAAm复合水凝胶的构筑与性能研究. 轻工学报, 2021, 36(2): 64-73. doi: 10.12187/2021.02.009
8. [8]
  罗钰湲 , 李辛娅 , 梁佳翔 , 刘泓漾 , 代笛菲 , 郭小玲 , 戴宏杰 . 菠萝皮渣纤维素/皂土复合水凝胶的制备及其染料吸附性能. 轻工学报, 2022, 37(5): 41-49. doi: 10.12187/2022.05.005
9. [9]
  吉笑盈 , 李晓鹏 , 刘娟 , 李东亮 , 吴迪 , 王义 , 赵丽娟 . 智能调湿水凝胶材料的制备及其在便携式雪茄保湿袋中的应用. 轻工学报, 2023, 38(5): 88-95. doi: 10.12187/2023.05.012
10. [10]
  张肖静 , 庞龙 , 何领好 , 王明花 , 陈砚 , 张治红 . 壳聚糖-聚乙烯醇复合水凝胶对水体和土壤中总砷的吸附性能研究. 轻工学报, 2017, 32(1): 58-64. doi: 10.3969/j.issn.2096-1553.2017.1.009
11. [11]
  刘瑞雪 , 陈纪超 , 李迎博 . 基于动态共价键和非共价键相互作用的自愈合水凝胶研究进展. 轻工学报, 2021, 36(6): 110-124. doi: 10.12187/2021.06.013
12. [12]
  赵建波 , 桂阳海 , 刘应凡 , 谢冰 , 郑先君 , 孙晓丽 , 孙雨安 . 己二酸的清洁催化氧化合成研究进展. 轻工学报, 2011, 26(2): 45-49. doi: 10.3969/j.issn.1004-1478.2011.02.012
13. [13]
  梁国斌 , 刘维平 , 唐江宏 . 嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸取印刷线路板中铜的多点添加策略. 轻工学报, 2013, 28(5): 16-20. doi: 10.3969/j.issn.2095-476X.2013.05.004
14. [14]
  樊凯奇 , 苏振宁 , 王书元 , 赵帅 , 韩光鲁 , 余述燕 , 张宝浩 , 尹志刚 , 宋健 . 基于非共价键作用构筑的白光凝胶研究进展. 轻工学报, 2018, 33(1): 56-71. doi: 10.3969/j.issn.2096-1553.2018.01.008
15. [15]
  刘兴丽 , 赵双丽 , 肖乃勇 , 王磊 , 焦宇晨 , 张华 . 马铃薯蛋白微凝胶对皮克林乳液乳化特性的影响. 轻工学报, 2019, 34(5): 1-9. doi: 10.3969/j.issn.2096-1553.2019.05.001
16. [16]
  刘兴丽 , 杨龙松 , 赵双丽 , 吴凤 , 张华 . 马铃薯蛋白-黄原胶微凝胶的制备及其乳化特性研究. 轻工学报, 2021, 36(1): 1-8. doi: 10.12187/2021.01.001
17. [17]
  刘瑞雪 , 樊晓敏 , 李义梦 , 傅晓明 , 张晓静 . 多巯基阳离子共聚物合成与凝胶化反应研究. 轻工学报, 2017, 32(6): 27-34. doi: 10.3969/j.issn.2096-1553.2017.6.004
18. [18]
  董吉林 , 田广瑞 , 李建光 , 高安华 , 申瑞玲 . 燕麦β-葡聚糖/大豆分离蛋白混合体系凝胶性研究. 轻工学报, 2011, 26(1): 30-33. doi: 10.3969/j.issn.1004-1478.2011.01.008
19. [19]
  朱鹏浩 , 谢润华 , 李佳玲 , 余宁翔 , 聂小华 , 孟祥河 , 陆元超 . 香榧油-薯蓣皂素油凝胶的制备及其结构和消化特性研究. 轻工学报, 2024, 39(1): 57-63,117. doi: 10.12187/2024.01.007
20. [20]
  杨光 , 王瑞娟 , 张建强 , 刘瑞雪 , 陈荣源 , 曹霞 , 方少明 . 低VOCs免酒精微凝胶润版液配方研究. 轻工学报, 2022, 37(5): 98-104. doi: 10.12187/2022.05.012

点击查看大图

计量

PDF下载量: 25
文章访问数: 1347
引证文献数: 0

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

高弹性双网络水凝胶的制备及其性能研究

Study on preparation and properties of highly elastic dual-network hydrogels

计量

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

高弹性双网络水凝胶的制备及其性能研究

English Abstract

Study on preparation and properties of highly elastic dual-network hydrogels

目录

高弹性双网络水凝胶的制备及其性能研究

Study on preparation and properties of highly elastic dual-network hydrogels

计量

文章相关

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

高弹性双网络水凝胶的制备及其性能研究

English Abstract

Study on preparation and properties of highly elastic dual-network hydrogels

目录