分析双网络水凝胶的制备及其性能

0 引言

水凝胶是一种具有化学或物理交联结构的亲 水聚合 物，具 有 良 好 的 生 物 相 容 性及 低 摩 擦 性，作为软 湿 材 料已广 泛 应 用 于 高 吸 水 性 树 脂、污 水 处 理、医 学、农 业和 食 品 化 学等多种领域．然而传统水凝胶力学性能较弱， 难以满足力学性能要求较高的行业，因此开发具有 优异力学性能的水凝胶具有一定的挑战性．

１ 实验部分

１．１ 药品与仪器

丙 烯 酰 胺 （ＡＭ），Ｎ，Ｎ－亚 甲 基 双 丙 烯 酰 胺 （ＭＢＡ），天津市科密欧化学试剂有限公司；２－丙烯 酰胺－２－甲基丙磺酸（ＡＭＰＳ），新泰仪器 有 限 公 司； 过硫酸钾（ＫＰＳ），天津市天力化学试剂有限公司； 以上药品均为分析纯． 高低温伺服拉力机，高铁检测仪器有 限 公 司； １０１型电热鼓风干燥箱，上海科恒实业发展有限公 司；ＰＬ２０３ 电 子 天 平，梅 特 勒－托利多仪器公司； Ｖｅｒｔｅｘ７０红外光谱仪，德国布鲁克公司；环境扫描 电子显微镜，美国 ＦＥＩ公司．

１．２ 双网络水凝胶的制备

１．２．１ Ｐ（ＡＭＰＳ－ｃｏ－ＡＭ）第一网络水凝胶的制备

将 １０ ｍｍｏｌ ＡＭＰＳ，０．４ ｍｍｏｌ ＭＢＡ，０．１ ｍｍｏｌＫＰＳ和０．３ ｍｍｏｌＡＭ 单体 溶 解 在１０ ｍＬ 纯净水中．溶解完全后在超声仪中超声１０ｍｉｎ，将 该溶液倒入模具密封，然后在电热鼓风干燥箱中放 置３ｈ完成聚合得到第一网络水凝胶．该水凝胶被 记为 Ｐ（ＡＭＰＳ－ｃｏ－ＡＭ－ｉ），ｉ为 ＡＭＰＳ与 ＡＭ 的摩 尔比．

１．２．２ Ｐ（ＡＭＰＳ－ｃｏ－ＡＭ）／ＰＡＭ 双网络水凝胶的制备

将０．３ ｍｏｌＡＭ，０．３ ｍｍｏｌ的 ＫＰＳ 和 ０．１２ ｍｍｏｌ的 ＭＢＡ 溶解在１５０ｍＬ纯净水中得到第二 网络单体溶液，将得到的 Ｐ（ＡＭＰＳ－ｃｏ－ＡＭ）第一网 络水凝胶浸泡在该单体溶液中充分溶胀，得 到 溶 胀平衡的第一网络水凝胶在电热鼓风干燥箱中 放 置 ３ｈ 得 到 Ｐ（ＡＭＰＳ－ｃｏ－ＡＭ）／ＰＡＭ ＤＮ 凝 胶．ＤＮ 凝胶 标 记 为 ｘ／ｙ，ｘ 代 表 第 一 网 络，ｙ 代 表第 二 网 络．

１．３ 溶胀性能测试

称取相同质量的不同配比的干凝胶，分别置于 ４０ｍＬ蒸馏水中，每隔一段时间取出凝胶，用滤纸 拭去其表面的水分，称其质量，按式（１）计算凝胶的 溶胀比： 　　　　　　ＳＲ ＝（ｍｓ －ｍｄ）／ｍｄ （１） 式（１）中：ｍｓ 为溶胀状态下凝胶的质量，ｍｄ 为干凝胶的质量． 按式（２）计算平衡溶胀比 　　　　　　ＳＲｅ ＝（ｍｅ －ｍｄ）／ｍｄ （２） 式（２）中：ｍｅ 为溶胀平衡状态下凝胶的质量， ｍｄ 为干凝胶的质量．

１．４ 力学性能测试

压缩应力－应变 曲 线 测 试 时，把 样 品 做 成 高 为 １５ ｍｍ、直 径 为 ２０ ｍｍ 的 圆 柱 形，压 缩 速 率 为 ５ｍｍ／ｍｉｎ，读取最大压缩强度．循环压缩时取形变 为５０％和８０％的压 缩 强 度．能 力 耗 散 值 由 循 环 应 力－应变曲线闭合环的面积计算得到．

１．５ 结构表征

将溶 胀 平 衡 的 Ｐ（ＡＭＰＳ－ｃｏ－ＡＭ）／ＰＡＭ ＤＮ 凝胶经过冷冻 干 燥 后，采 用 ＫＢｒ压片 测 定 其 红 外 光谱（ＦＴ－ＩＲ）．将冷冻干燥后的 ＤＮ 凝胶粘在导电 胶上，喷金１ｍｉｎ后采用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）对 其表面形貌进行表征．

２ 结果与讨论

对 双 网 络 水 凝 胶 溶 胀 性 能的影响 第一网络单体不同配比的 ＤＮ 凝胶 溶 胀 性 能 如图１所示．在第一网络反应 单体为 ＡＭＰＳ时，ＤＮ 凝胶的溶胀速率最快，这是 由于 ＰＡＭＰＳ中亲水基团与水分子的水合作用，水 分子迅速向网络内部扩散，同时聚合物链在水中迅 速膨胀，产生网络内外浓度差，从而产生内外渗透 压，而这又使水分子以渗透压作用向网络内部继续 渗透，因此，表 现 为 吸 水 速 率 较 快．在第 一 网 络 引入 ＡＭ 后，ＤＮ 凝胶 的 溶 胀 速 率 显 著 下 降，随 着 ＡＭ 比例增 加，溶 胀 速 率 逐 渐 减 小，当ｎ（ＡＭＰＳ） ∶ｎ（ＡＭ）＝２．１∶１时，溶胀 速 率 最 小，这 是 因 为ＡＭＰＳ具有较 强 的 渗 透 压 导 致 高 的 吸 水 速 率，且 随着 ＡＭ 的增 加，导 致 ＤＮ 凝胶 的 孔 间 隙 更 加 致 密从而降低了凝胶的吸水速率．

３ 结论

通过改变双网络水凝胶中第一网络单体的配 比，获得 了 高 压 缩 强 度 的 Ｐ（ＡＭＰＳ－ｃｏ－ＡＭ－５．３）／ ＰＡＭ ＤＮ 凝胶，当第一网络单体 ＡＭＰＳ与 ＡＭ 摩 尔比为５．３∶１时，压缩 强 度 达 到３５．８ ＭＰａ，压缩 模量为１．８ｋＰａ，耗散能为２４．６７×１０７Ｊ·ｍ－３．ＦＴ－ ＩＲ和ＳＥＭ 结果表明两个网络之间产生氢键作用， ＡＭ 的加入促进了双网络水凝胶交联网 络 孔 径 变小，从而有利于提高 ＤＮ 凝胶的力学性能．