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纤维素水凝胶的合成及其结构和性能表征纤维素水凝胶的合成及其结构和性能表征 周金平 常春雨 董首成 张俐娜 武汉大学化学与分子科学学院 武汉 430072 E mail jp zhou Figure 1 SEM micrographs of gel cross sections of the cross linked cellulose hydrogels 水凝胶是一类有广泛用途的高分子材料 1 2 纤维素由于具有很强的分子内和 分子间氢键 难溶于水和普通的有机溶剂 因此纤维素类水凝胶通常是用水溶性 纤维素衍生物通过化学和物理交联制得 3 4 前文开发出一种廉价 无污染的纤维 素新溶剂 NaOH 尿素水溶液 5 本工作利用这一水溶液体系由纤维素通过 一 步法 直接制备水凝胶 并通过扫描电镜 红外光谱 固体核磁共振 紫外 可见 光谱仪 吸水性试验表征其形貌 结构和性能 通过冷冻 解冻的方法将纤维素直接溶解在 6wt NaOH 4wt 尿素水溶液中 制得透明溶液 室温下缓缓滴加环氧氯丙烷到纤维素溶液中 然后升高温度至 50 C 继续反应一段时间即得到水凝胶 这类纤维素水凝胶为无色 透明 具有很好 的光学透明度和良好的机械强度 扫描电镜照片 图 1 示出五种水凝胶试样均表 现出均匀的大孔网络结构 孔尺寸在 2 3 m 之间 正是由于这种 大孔 结构 以及纤维素分子链上丰富的羟基使它们具有很好的吸水功能 25 C 时 Gel 1 Gel 2 Gel 3 Gel 4 和 Gel 5 的溶胀比分别为 59 1 57 5 53 6 31 6 和 45 3 g H2O g 干凝胶 随温度升高 水凝胶的溶胀比呈缓慢下降趋势 对于相同浓度纤维素溶 液和等量交联剂制备的水凝胶 随着反应时间的延长 溶胀比降低 这可能是因 为水凝胶的交联度随时间有所增大导致 此外 凝胶的强度与其溶胀比相反 即 05001000150020002500300035004000 0 20 40 60 80 100 Water uptake Time min Gel 1 Gel 2 Gel 3 Gel 4 Gel 5 Figure 2 The water uptake of the cross linked cellulose hydrogels at 25 溶胀比越小 凝胶强度越大 图 2 示 出干水凝胶试样再溶胀时的吸水率 随时间依赖关系 初期 水凝胶的吸 水速率相当快 然而随着时间的延 长 吸水速率变得越来越缓慢 最后 达到溶胀平衡 其中 Gel 1 达到溶 胀平衡的时间最短 约 80 min 而 Gel 4 达到溶胀平衡的时间需要几 天 值得注意的是 这些水凝胶在达 到溶胀平衡时表现出不同的吸水率 其中 Gel 4 的吸水率可恢复到原来的 90 以上 Gel 3 和 Gel 5 的最大吸水率可以 达到 80 以上 Gel 2 的吸水率可恢复到 70 然而 Gel 1 达到溶胀平衡后的吸 水率极低 仅为原来的 22 这一规律与水凝胶的溶胀比相反 本工作提供了一 种制备纤维素水凝胶的简便 价廉的新途径 而且在生物 医药和食品等领域具 有应用前景 主要参考文献 1 Z B Hu Y Y Chen C J Wang Y D Zheng Y Li Nature 1998 393 149 2 N A Peppas Ed Volumes I II and III CRC Boca Raton FL 1986 3 D Capitani M A Del Nobile G Mensitieri et al Macromoleules 2000 33 430 4 A Nakayama J P Gong Y Osada et al Adv Funct Mater 2004 14 1124 5 J Zhou L Zhang Polym J 2000 32 866 致谢 本工作得到国家 863 计划 2004AA649250 国家自然科学基金 20204011 和中科院广州化学研究所纤维素重点实验室开放基金的资助 Synthesis structure and properties of cellulose hydrogels Jinping Zhou Chunyu Chang Shouchen Dong Lina Zhang Department of Chemistry Wuhan University Wuhan 430072 E mail jp zhou A series of novel cellulose hydrogels were prepared through one step way from cellulose by using chloride propylene epoxide as crosslinking agent Morphology and properties of the hydrogels were characterized with UV Vis NMR FT IR scanning electron microscopy and water absorption testing The result showed that the hydrogels have excellent mechanical strength and optics transparence The cellulose hydrogels have good ability for water absorption because of theirs macroporous structure and the cellulose chains contain abundant hydroxyl groups The swelling ratio of Gel 1 Gel 2 Gel 3 Gel 4 and Gel 5 at 25 C was 59 1 57 5 53 6 31 6 and 45 3 g H2O g dry hydrogels respectively and the swelling ratio slowly decreased with an increase of temperature The re swelling rate of dry hydrogels in water were proportional to theirs swelling ratio and the water uptake of Gel 4 was above 90 This work provided a simple and fast method for preparing cellulose hydrogels Keywords Cellulose hydrogel Mcroporous structure Swelling ratio Water uptake 纤维素水凝胶的合成及其结构和性能表征纤维素水凝胶的合成及其结构和性能表征 作者 周金平 常春雨 董首成 张俐娜 作者单位 武汉大学化学与分子科学学院 武汉 430072 本文读者也读过 6条 本文读者也读过 6条 1 蔡杰 张俐娜 周金平 陈辉 金惠明 新型再生纤维素纤维的制备和表征 会议论文 2004 2 蔡杰 张俐娜 周金平 祁海松 陈辉 Tetsuo Kondo 陈续明 朱鹏年 NaOH 尿素水体系制备新型纤维素丝结构与性能 会议论文 2006 3 周金平 蔡杰 张俐娜 光