纳米复合水凝胶的力学行为与刺激响应性.pdf

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1、中国科学：化学2012年第42卷第5期：650～660《中国科学》杂志社SClENTIASINICAChimicawww．scichina．comthem．scichinaSCIENCECHINAPRESS．com庆祝王佛松院士80华诞专刊纳米复合水凝胶的力学行为与刺激响应性王涛∞，胡小波①，刘新星①，童真①发光材料与器什国家熏点实验室；华南理工大学材料科学研究所，广州I510640②制浆造纸[程同家重点实验室；华南理工大学轻工与食品学院，广州I510640通讯作者，E—mail：mcztong@scut．edu．cn收稿日期：2011—11-24；接受日期

2、：2011-12—13；网络版发表日期：2012．04—12doi：lO．1360／03201l_77l摘要纳米复合水凝胶(nanocompositehydrogels，NC凝胶)由于其简便的制备方法、独特的关键词组成、优异的力学性能、高光学透明度以及良好的溶胀／去溶胀性等，弓『起了广泛的关注．近纳米复合水凝胶超拉伸性年来，本课题组在NC凝胶的力学行为及刺激响应性NC凝胶的制备方面取得了可喜的研究应变硬化成果．观察到新合成的和溶胀平衡的聚M异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)一锂藻土LaponiteNC凝交联密度胶的超拉伸性，发现了在大应变下的应变硬化现象；发现利

3、用Mooney—Rivlin方程可以描述环境响应性NC凝胶的压缩应力应变，但不能描述较大的应变硬化；Creton模型能很好地描述NC凝胶在大形变下的应力应变曲线，特别是凝胶的应变硬化；从NC凝胶小应变下的平衡剪切模量得到了有效交联密度，观察到NC凝胶形变一回复过程的迟滞现象，测定了NC凝胶的松弛指数。我们认为NC凝胶具有超拉伸性的原因是其较低的交联密度和适度的松弛速率；在响应性NC凝胶的制备方面，发现了溶胶型Laponite的水分散液的稳定窗口，避免了加入离子性单体引起的聚集沉淀；通过共聚制备了具有超拉伸性、pH响应或温度和pH双响应的透明NC凝胶．本文主要

4、综述了我们课题组在NC凝胶力学行为及响应性NC凝胶领域的一些研究进展，并分析了NC凝胶研究领域仍然未解决的科学问题，以及今后可能的发展方向．1引言水凝胶、高分子复合微球凝胶引、四臂一PEG凝胶等．高力学性能水凝胶的出现，极大地拓宽了水凝胶凝胶材料因在药物控释、物质分离、组织工程等的应用领域，如作为人体组织(关节软骨、肌腱、韧带领域的潜在应用价值受到广泛关注．上世纪的研究等)的替代物．NC凝胶由于具有制备方法简单以及可主要集中在凝胶的溶胀行为、各种响应性水凝胶的制用做细胞培养材料[6-8]和分离材料【u等优点，引起了备与响应性、以及具有高速率溶胀／去溶胀凝胶的

5、制广泛的研究．备等，相关的理论也得到了发展和完善．但是由于水2002年，Haraguchi等人【2]首次在不添加化学交凝胶中80％左右都是水，强度很低，无法满足应用的联剂的情况下，用Ⅳ-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)在要求．本世纪以来，凝胶材料最大的突破在于成功制锂藻土Laponite水分散液中原位聚合，得到了具有优备了多种高强度和高断裂伸长率的水凝胶，包括拓异力学性能和高透明度的NC凝胶．Laponite是一种扑凝胶⋯、由锂藻土交联的纳米复合水凝胶直径约30nm，厚度约1nm的片状黏土，表面带有大(nanocompositehydrogels，简称NC凝胶)

6、L2J、双网络量负电荷，它在NC凝胶中起了多官能度交联剂的作中国科学：化学2012年第42卷第5期用DO]．NC凝胶的拉伸强度比化学交联水凝胶高10倍，应变下的力学行为，特别对在去离子水中溶胀平衡断裂伸长率高达1000％；NC凝胶不仅可承受拉伸和后NC凝胶的力学行为进行了理论描述．动态黏弹谱压缩，还可承受弯曲、扭曲、甚至打结等形变[111显示，NC凝胶在小应变下平衡剪切模量随LaponiteHaraguchi等人_lJ还报道了多种因素(单体种类及含量的增加呈线性增加，该结果说明无论凝胶溶胀浓度、Laponite浓度以及凝胶含水量)对NC凝胶力学与否，以Lap

7、onite为交联剂的NC凝胶在小形变下均性能的影响．朱美芳等人【1J则利用丙烯酰胺(AAm)表现为橡胶弹性．为了探讨NC凝胶在大形变下是否合成了具有优异回弹性及超高断裂伸长率(2500％)的还保持橡胶弹性，我们对其进行了单轴压缩和拉伸NC凝胶．关于NC凝胶高力学性能的形成，Haraguchi实验．等人ll]从实验现象推测，在聚合反应开始前，单体与图1为不同LaponiteXLS含量的新制备和溶胀引发剂吸附在Laponite片表面，并在Laponite片表面平衡时NC凝胶的单轴压缩和拉伸的真应力一形变曲引发聚合，从而在初期形成大量的一端固定在线I2⋯，所谓真应

8、力是考虑了试样截面积随形变的变Laponite表面的