關(guān)于水凝膠溶脹性能的實(shí)驗(yàn)研究

邱嘉駿

摘 要：在本次研究中，我們通過將殼聚糖復(fù)合凝膠在水中浸泡來測(cè)得其在飽和氯化鈉溶液、飽和硫酸鈉溶液和飽和三水合檸檬酸三鈉溶液浸泡后的吸水性強(qiáng)弱，同時(shí)選用二次水浸泡的水凝膠作為對(duì)照組。通過浸泡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)合凝膠能夠迅速地轉(zhuǎn)變?yōu)殡p網(wǎng)絡(luò)凝膠，在增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度的同時(shí)賦予它們不同的內(nèi)部物理纏節(jié)結(jié)構(gòu)，因而表現(xiàn)出了截然不同的吸水性能。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu);性能;強(qiáng)弱;實(shí)驗(yàn)研究

一、背景

現(xiàn)今，為了更好地讓水凝膠在生活中得以應(yīng)用，科研也在不斷地進(jìn)行著。水凝膠有著高保水、高吸水，生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于水凝膠優(yōu)良的各項(xiàng)性能和特殊的結(jié)構(gòu)，科學(xué)界對(duì)水凝膠的研究逐漸深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，不僅在醫(yī)用方面上有很大用途，在非醫(yī)用方面也實(shí)現(xiàn)了很大的突破[2]。與此同時(shí)，一種新型的雙網(wǎng)絡(luò)凝膠由日本北海道大學(xué)的龔劍萍教授和她的合作者首次提出。這種雙網(wǎng)絡(luò)凝膠能夠同時(shí)具備兩種網(wǎng)絡(luò)高強(qiáng)度、剛度及韌性的優(yōu)點(diǎn) [3]。

二、實(shí)驗(yàn)過程

（1）實(shí)驗(yàn)儀器

離心管、15mL樣品瓶、2000mL大燒杯、10-100μL移液槍、紫外燈箱（自制，150W）、圓周振蕩器（IKA Vortex2）、真空冷凍干燥機(jī)（FD-1B-50， 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）、搖床。

（2）實(shí)驗(yàn)材料

交聯(lián)劑N， N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、丙烯酰胺AM、殼聚糖CS、光引發(fā)劑Irgacure 2959、氯化鈉、硫酸鈉、檸檬酸三鈉

（3）實(shí)驗(yàn)步驟

第一步：配置MBA的溶液，將10mg的MBA溶解于1mL的高純水中，得到濃度為10mg/mL的溶液。

第二步：稱取AM（1.8g），CS（0.5，0.75，1.0g），Irgacure 2959（57.6mg），H2O水（10mL），MBA溶液（118μL）加入到15mL樣品瓶中。

第三步：將樣品瓶置于圓周振蕩器上振蕩10min左右混合均勻，然后放入60℃的水中加熱促進(jìn)殼聚糖的溶解，使整個(gè)體系成為透明澄清的溶液。

第四步：將15mL樣品瓶中通入高純氮15min，確保出去氧氣。

第五步：將樣品瓶放于紫外燈箱（自制，150W）中反應(yīng)0.5h，得到透明的PAM-CS復(fù)合凝膠（聚丙烯酰胺-殼聚糖復(fù)合凝膠）。

第六步：將制得的復(fù)合凝膠分為四份，分別浸泡在高純水、飽和氯化鈉溶液、飽和硫酸鈉溶液和飽和檸檬酸鈉溶液中，并用搖床加工30min。

第七步：取出凝膠，此時(shí)得到雙網(wǎng)絡(luò)凝膠，并把四份凝膠依次命名為A、B、C和D。

三、結(jié)果與討論

（1）雙網(wǎng)絡(luò)凝膠的力學(xué)性能表征實(shí)驗(yàn)：

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，我們通過凝膠來懸掛重物，并用手指反復(fù)擠壓的方法來測(cè)定凝膠的承重能力。實(shí)驗(yàn)表明雙網(wǎng)絡(luò)凝膠可以承受2kg的重物，且凝膠受手指擠壓之后并沒有太大的變化，足以說明此雙網(wǎng)絡(luò)凝膠具有優(yōu)異的韌性。

（2）雙網(wǎng)絡(luò)凝膠的溶脹性能表征實(shí)驗(yàn)：

首先精確稱量4塊樣品的質(zhì)量（M0），并把它們分別命名為A、B、C和D。然后將其放入盛有大量去離子水中，為了保持水中沒有過多鹽溶液中離子，適時(shí)換水。按照固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)取出樣品再次稱量其質(zhì)量（M），直到M值基本不再發(fā)生變化。將凝膠的溶脹率定義為：k=（M-M0）/M0×100%。由于水凝膠的成分之一殼聚糖在水中具有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故此雙網(wǎng)絡(luò)凝膠浸泡在大量純凈水中會(huì)產(chǎn)生溶脹的情況。因?yàn)榇舜卧囼?yàn)所用雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠在制作時(shí)用到氯化鈉溶液、硫酸鈉溶液及檸檬酸鈉溶液，故凝膠中含有陰、陽離子。而在浸泡、溶脹的過程中，由于凝膠內(nèi)部含有陰、陽離子，所以導(dǎo)致其產(chǎn)生滲透壓，并且與溶脹率有關(guān)。上述適時(shí)換水操作的目的是盡量將凝膠內(nèi)部陰、陽離子充分交換到外部，保證其滲透壓的標(biāo)準(zhǔn)性，不會(huì)影響到對(duì)于溶脹性能的結(jié)果測(cè)定。

如表3-1，圖3-1和圖3-2所示，雙網(wǎng)絡(luò)凝膠A、B、C和D均在 90h時(shí)質(zhì)量基本不變，且水凝膠A和B的質(zhì)量、溶脹率遠(yuǎn)大于C和D的。達(dá)到溶脹平衡，凝膠的溶脹率kA、kB、kC 和kD分別達(dá)1700%、870%、130%和120%左右。

結(jié)論：制得的雙網(wǎng)絡(luò)凝膠除了具有高拉伸強(qiáng)度、超高韌性和優(yōu)異的抗碾壓性能之外，還具有較強(qiáng)的溶脹性能，可以制造新型的、高強(qiáng)度的雙網(wǎng)絡(luò)凝膠，有利于拓展雙網(wǎng)絡(luò)凝膠在生活實(shí)際中（如生物化工、抗菌材料等）的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]Wang， Z. J.; Hong， W.; Wu， Z. L.; Zheng， Q. Site-specific pre-swelling-directed morphing structures of patterned hydrogels. Angew. Chem.， Int. Ed. 2017， 56， 15974-15978.

[2]Jin， B. J.; Song， H. J.; Jiang， R. Q.; Song， J. Z.; Zhao， Q.; Xie， T. Programming a crystalline shape memory polymer network with thermo-and photo-reversible bonds toward a single-component soft robot. Sci. Adv. 2018， 4， eaao3865.

[3]Gong J. P.; Katsuyama Y.; Kurokawa T.; Osada Y. Double-network hydrogels with extremely high mechanical strength. Adv. Mater. 2003， 15， 1155-1158.