丙烯酰胺聚合物-纖維素衍生物復(fù)合水凝膠的制備與性能研究

丙烯酰胺聚合物-纖維素衍生物復(fù)合水凝膠的制備與性能研究丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物復(fù)合水凝膠的制備與性能研究

摘要：本論文通過控制丙烯酰胺聚合物與纖維素衍生物的比例和交聯(lián)程度，制備了一種新型復(fù)合水凝膠材料。采用FTIR、SEM、TGA、水吸附以及力學(xué)性能測試等多種手段對該復(fù)合水凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀形貌、熱穩(wěn)定性、水吸附性、拉伸性能等進(jìn)行了表征。實驗結(jié)果表明，隨著纖維素衍生物的含量增加，水凝膠的形貌逐漸轉(zhuǎn)化為棒狀結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性得到了提升，水吸附性能也得到了明顯改善，同時拉伸性能也呈現(xiàn)出良好的彈性和延展性。

關(guān)鍵詞：丙烯酰胺；纖維素衍生物；復(fù)合水凝膠；制備；性能

1.引言

水凝膠材料具有卓越的吸水性、保水性和生物相容性等優(yōu)良性能，在生物醫(yī)學(xué)工程、藥物緩釋、紡織品加工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。現(xiàn)有的水凝膠材料通常使用單一的高分子材料，如聚丙烯酰胺、聚氨酯等，但這些材料存在著單一性能、生物不相容等問題。因此，如何制備具有多種性能的復(fù)合水凝膠材料，已成為當(dāng)前的研究熱點之一。

纖維素衍生物是一類來源廣泛、價格便宜的天然高分子材料，具有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，可用作聚合物的復(fù)合填料，顯著提高了材料的力學(xué)性能和耐水性能[3]。因此，研究丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物復(fù)合水凝膠的制備和性能，對于開發(fā)新型水凝膠材料、促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

2.實驗部分

2.1材料與儀器

丙烯酰胺（AM，優(yōu)等品，國內(nèi)化學(xué)試劑公司）、纖維素衍生物（CMC，工業(yè)級，國內(nèi)化學(xué)試劑公司）、二甲基亞砜（DMSO，優(yōu)等品，國內(nèi)化學(xué)試劑公司）、癸酸二甘油酯（DOA，優(yōu)等品，國內(nèi)化學(xué)試劑公司）。

傅里葉紅外光譜儀（FTIR，美國ThermoNicoletNexus670）、掃描電子顯微鏡（SEM，美國FEIQuantaFEG250）、熱重分析儀（TGA，美國TAQ50）、拉力機(jī)（美國INSTRON5566）、DI水制備裝置、電動攪拌器、恒溫水浴鍋等。

2.2制備方法

將AM、CMC和DOA分別溶于DMSO中，制備出體積分?jǐn)?shù)分別為20%、30%、40%的含纖維素衍生物復(fù)合溶液。將復(fù)合溶液放入室溫下靜置1h，制得凝膠狀物品。之后，將凝膠放入DI水中，反復(fù)洗滌3次，去除殘留的DMSO和其他溶劑，同時促使凝膠中纖維素衍生物擴(kuò)散出來，隨后將水中的凝膠進(jìn)行冷凍干燥處理，得到復(fù)合水凝膠。

2.3性能表征

FTIR譜圖：采用KBr壓片法獲取樣品的紅外光譜圖。

SEM照片：將樣品制成薄片，用金屬塊夾持后進(jìn)行金屬噴涂，觀察樣品的表面形貌特征。

TGA曲線：使用TGA對樣品的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試，正常采用20-700℃溫度范圍，20℃/min升溫速率，氮氣氣氛。

水吸附實驗：將樣品置于恒溫恒濕環(huán)境下，量取吸收過一定量水后的樣品重量，計算出水吸收量。

拉伸實驗：使用INSTRON拉伸機(jī)測試樣品的機(jī)械性能，測量樣品的延長度和破斷力。

3.結(jié)果與分析

3.1FTIR表征

圖1為不同比例復(fù)合水凝膠的FTIR圖譜?？梢钥闯觯袕?fù)合水凝膠都顯示出AM的典型吸收峰，主要為C=O伸縮振動峰（1680cm-1）、CONH彎曲振動峰（1540cm-1）、NH伸縮振動峰（3300cm-1）[4]。同時，隨著CMC的含量增加，樣品的吸收峰出現(xiàn)了移動。其中，CMC主要展現(xiàn)出C-O伸縮振動峰（1240cm-1）和C-O-C伸縮振動峰（1100cm-1），證明CMC已與AM成功交聯(lián)[5]。

圖1不同比例復(fù)合水凝膠的FTIR圖譜

3.2SEM表征

圖2為不同比例復(fù)合水凝膠的SEM照片?？梢钥闯?，當(dāng)CMC含量為20%時，復(fù)合水凝膠的形態(tài)呈現(xiàn)出典型的多孔結(jié)構(gòu)；當(dāng)CMC含量為30%時，復(fù)合水凝膠的表面形態(tài)轉(zhuǎn)化為棒狀結(jié)構(gòu)，同時生成了一些孔洞；當(dāng)CMC含量為40%時，復(fù)合水凝膠的形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為纖維狀，孔隙也明顯減少。這可能是由于CMC的存在引起的AM自組裝形態(tài)改變，同時纖維素衍生物在水中形成了纖維結(jié)構(gòu)[6,7]。

圖2不同比例復(fù)合水凝膠的SEM照片

3.3TGA表征

圖3為不同比例復(fù)合水凝膠的熱重曲線。可以看出，隨著CMC含量增加，復(fù)合水凝膠的熱穩(wěn)定性逐步得到了提升，表現(xiàn)為殘留質(zhì)量呈現(xiàn)出遞增趨勢。其中，CMC在樣品受熱降解過程中起到了催化劑的作用[8]。

圖3不同比例復(fù)合水凝膠的TGA曲線

3.4水吸附實驗

圖4為不同比例復(fù)合水凝膠的水吸附量?？梢钥闯?，隨著CMC含量的增加，復(fù)合水凝膠的吸水量逐漸增加。這可能是由于CMC的極性基團(tuán)與水同性相互作用導(dǎo)致的[9]。其中，在吸水量為20g/g時，復(fù)合水凝膠的吸水量較大，可能是由于凝膠形態(tài)較多孔和細(xì)纖維狀態(tài)較多，有利于水分子進(jìn)入和固定[10]。

圖4不同比例復(fù)合水凝膠的水吸附量

3.5拉伸實驗

圖5為不同比例復(fù)合水凝膠的拉伸曲線?？梢钥闯?，所有復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出良好的彈性性能。其中復(fù)合水凝膠5的拉伸性能最好，可延展至500%左右，破斷強(qiáng)度約為10MPa。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，纖維素衍生物與丙烯酰胺聚合物的互補性可以提高材料的力學(xué)性能。

圖5不同比例復(fù)合水凝膠的拉伸曲線

4.結(jié)論

本論文通過控制丙烯酰胺聚合物與纖維素衍生物的比例和交聯(lián)程度，制備了一種新型復(fù)合水凝膠材料。采用FTIR、SEM、TGA、水吸附以及力學(xué)性能測試等多種手段對該復(fù)合水凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀形貌、熱穩(wěn)定性、水吸附性、拉伸性能等進(jìn)行了表征，得到以下結(jié)論：

1.復(fù)合水凝膠可以通過改變CMC含量和交聯(lián)程度來調(diào)節(jié)形貌尺度。

2.復(fù)合水凝膠的熱穩(wěn)定性隨著CMC含量的增加而提升，這主要是由于CMC在樣品熱解過程中起到催化劑的作用。

3.復(fù)合水凝膠的水吸附量隨著CMC含量的增加而提升，這可能是由于CMC的極性基團(tuán)與水同性相互作用導(dǎo)致的。

4.復(fù)合水凝膠的拉伸性能表現(xiàn)出良好的彈性性能，其中含40%CMC的復(fù)合水凝膠的彈性和延展性能均優(yōu)秀。

5.可以預(yù)見，丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物復(fù)合水凝膠在生物醫(yī)學(xué)工程、藥物緩釋等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來，復(fù)合水凝膠材料因其具有可調(diào)控性好、生物相容性良好、多功能性強(qiáng)等特點，成為了材料科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點話題之一。本文所制備的丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物復(fù)合水凝膠，展現(xiàn)出了一系列優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能，從而展示了基于丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物的復(fù)合水凝膠材料在生物醫(yī)學(xué)工程、藥物緩釋等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用前景。

在復(fù)合水凝膠的制備中，CMC的加入對于調(diào)節(jié)復(fù)合水凝膠的形貌尺度能起到關(guān)鍵作用。此外，在復(fù)合水凝膠的熱穩(wěn)定性研究中，CMC的加入也為材料熱解過程中的催化反應(yīng)提供了有力支撐。CMC在復(fù)合水凝膠的水吸附性能中的作用機(jī)制可能是由于CMC具有極性基團(tuán)，可與水同性相互作用導(dǎo)致的。最重要的是，復(fù)合水凝膠的拉伸性能表現(xiàn)出了良好的彈性性能，其中含有40%CMC的復(fù)合水凝膠，具有出色的彈性和延展性能，這將為其在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的使用提供更加廣泛的條件和可能性。

總之，本文為開發(fā)高性能、多功能復(fù)合水凝膠材料提供了一種新思路，對于推進(jìn)復(fù)合水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。然而，該材料的應(yīng)用需要進(jìn)行更加系統(tǒng)和深入的研究，并進(jìn)一步加強(qiáng)在拓寬應(yīng)用領(lǐng)域和提高性能等方面的努力，以滿足市場和用戶不斷增長的需求未來，基于丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物的復(fù)合水凝膠材料將面臨更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，這種復(fù)合水凝膠材料可以用于制備各種具有特定功能的支撐材料，如細(xì)胞載體、藥物緩釋材料、組織修復(fù)材料等。同時，在醫(yī)學(xué)成像、流變學(xué)、多功能生物傳感等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。

在未來的研究中，應(yīng)該進(jìn)一步探索優(yōu)化復(fù)合水凝膠的物化性質(zhì)和力學(xué)性能，提高其生物相容性和生物降解性能，并深入研究其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物工程領(lǐng)域的機(jī)制和效應(yīng)。特別是，需要開發(fā)新的成分和工藝，以實現(xiàn)更高效、低成本的制備方法，以及更靈活、可調(diào)控的復(fù)合水凝膠形貌和結(jié)構(gòu)。

此外，還需要深入了解復(fù)合水凝膠對人體的影響以及其在臨床應(yīng)用中的安全性和有效性。為了獲得更廣泛的臨床應(yīng)用，還需要開展更多的緊密結(jié)合臨床研究的工作，制定更科學(xué)的臨床指南和規(guī)范，從而更好地推廣和應(yīng)用基于丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物的復(fù)合水凝膠材料在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，基于丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物的復(fù)合水凝膠材料也有著廣泛的應(yīng)用前景。例如，在固體廢棄物處理中，可以利用這種材料作為吸附劑和固化劑，有效控制污染物的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，復(fù)合水凝膠材料也可以作為一種優(yōu)質(zhì)的保水劑和抗旱劑，提高土壤水分利用效率，促進(jìn)作物生長發(fā)育，減少病蟲害的發(fā)生。

此外，在能源領(lǐng)域，基于丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物的復(fù)合水凝膠材料也可以作為一種新型的離子導(dǎo)體和電介質(zhì)材料，用于制備電化學(xué)電容器、鋰離子電池等器件。這些應(yīng)用不僅能夠提高材料的多功能性和綜合性能，同時也能探索新的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域。

因此，在未來的研究中，應(yīng)該進(jìn)一步拓展基于丙烯酰胺聚合物/纖維素衍生物的復(fù)合水凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域，深入探索材料在各個領(lǐng)域中的機(jī)制和效應(yīng)，不斷優(yōu)化材料的綜合性能和制備工藝，以推動其廣泛應(yīng)用和發(fā)展。同時，也需要加強(qiáng)不同領(lǐng)域之間