高弹性聚丙烯酰胺水凝胶的制备及拉伸性能研究.docxVIP

? ? 高弹性聚丙烯酰胺水凝胶的制备及拉伸性能研究 ? ? 肖新才，张瑞连，熊小翠，胡蓉蓉，马文婷 (中南民族大学 药学院，武汉 430074) 高弹性聚丙烯酰胺水凝胶的制备及拉伸性能研究 肖新才，张瑞连，熊小翠，胡蓉蓉，马文婷 (中南民族大学 药学院，武汉 430074) 为了提高水凝胶的弹性性能, 采用微凝胶法制备了高弹性的聚丙烯酰胺(PAAM)水凝胶.先采用沉降聚合法制备了PAAM微凝胶，再以此充当交联剂代替传统的化学交联剂和引发剂，制备了高机械性能的PAAM水凝胶.同时探讨了丙烯酰胺浓度、凝胶成型温度、微凝胶与水的体积比对PAAM水凝胶弹性性能的影响.结果表明：随着丙烯酰胺的浓度的增大，凝胶柱的弹性模量变大；随微凝胶成型温度越高，形成的水凝胶的弹性模量越小；当微凝胶与水的体积比为1︰1时，水凝胶的弹性模量较大，增加或减少微凝胶的量均会使得水凝胶的弹性模量变小. 聚丙烯酰胺；微凝胶；高弹性；微凝胶法；弹性模量 聚丙烯酰胺(PAAM)具有典型的三维网络结构、无毒副作用、性能稳定，被广泛应用于生物水凝胶的制备[1]，如蛋白质分离[2,3]、药物释放[4,5]、土壤改良剂[6]等.由于PAAM水凝胶的机械强度较低，使其在强度要求相对较高的领域，如人工肌肉骨骼、记忆开关元件、机械传动装置及生物传感器等的应用受到很大的限制.传统的提高水凝胶机械强度的方法有增加交联密度、降低凝胶溶胀度、引入纤维状增强剂、制备互穿网络(IPN)等[7]，但操作较繁琐，或对水凝胶的机械性能的改善能力有限，或改变了PAAM其本身的性能，使PAAM水凝胶应用受限. 传统的凝胶以N,N-亚甲基双丙烯酰胺为化学交联剂来制备.近年来，诸多研究者按此模式，通过构建聚合物的交联来改变水凝胶的机械强度，如构建拓扑结构[8]、双网络结构[9-11]、复合结构[12]，及加入纳米凝胶作为交联剂制备水凝胶[13-15]等.利用活性纳米粒子如锂皂石[15]、氧化石墨烯[16]、离子[17]、二氧化硅[18]、粘土[19]、活性纳米凝胶[20]等代替传统的交联剂来制备水凝胶，虽能大大提高水凝胶的机械性能，但过程复杂，影响因素不易控制，成本增加. 利用材料自身形成微凝胶作为交联剂制备高弹的水凝胶，由于没有其他粒子的加入，制备的凝胶成分更纯，性能更易控制，且制备过程简易、方便，具有很强的实用性.制备微凝胶的方法较多，如谭雪梅等[21]采用反相微乳液聚合法、自组装辅助聚合法[22-24]、光聚合法[25]等.本文采用采用微凝胶制备高弹性PAAM水凝胶，为简化实验操作，采用沉降聚合法[20](制备过程见图1)，并探讨了丙烯酰胺的浓度、凝胶成型温度、微凝胶与水的比例等因素对聚丙烯酰胺水凝胶弹性性能的影响，以期获得制备高弹性PAAM水凝胶的相关条件，为开发高弹性PAAM的新应用奠定基础. 图1 微凝胶法制备PAAM水凝胶示意图Fig.1 Schematic illustration of proposed model of PAAM hydrogels 1 实验方法 1.1 材料和仪器 丙烯酰胺(AAM ,99.9%)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)购于Biosharp公司，过硫酸铵(APS, AR级)、十二烷基硫酸钠(CP级)、无水乙醇(分析纯)购于中国医药集团上海化学试剂有限公司. 真空冷冻干燥仪(DRY-LYO型，丹麦HETO)，DF-10VS型集热式恒温磁力搅拌、SHZ-DIII型循环水真空泵(巩义市予华仪器)，电热鼓风干燥箱(101-1A型，天津市泰斯特)，电子天平(AR2140型，上海奥豪斯)，透射扫描电镜(FEI Tecnai G20 S-Twin型，200 kV)，低温恒温槽(DC-0506，武汉世纪超杰)，场发射电镜(SU8010，日本HITACHI)，高铁伺服控制拉力试验机(AI-7000M，高铁检测仪器). 1.2 活性PAAM微凝胶的制备 利用沉降聚合法制备微凝胶：取50 mL水于三颈烧瓶中，通氮气5 min后加入0.71 g (0.01 mol) AAM，搅拌溶解，加入0.0616 g (4 mmol) BIS，0.027 g APS，搅拌溶解，再加入0.27 g十二烷基硫酸钠(表面活性剂)，溶解完全后，于60℃水浴中反应，转速为300 r/min，反应10，15，20，25，30，35，40，45，50 min后，置于冰水浴中终止反应. 1.3 PAAM水凝胶的制备 取一定量的PAAM微凝胶和一定量的水，加入一定量的AAM(具体用量见表1)，搅拌溶解，通5 min氮气，将其倒入两头开口的玻璃管中，封好，置于一定温度下反应24 h，即得PAAM凝胶，放置，进行拉伸试验，检测它的抗拉伸能力，将凝胶冻干，备用. 表1 制备PAAM水凝胶的成分比例Tab.1