丙烯酰胺聚合物-纤维素衍生物复合水凝胶的制备与性能研究

丙烯酰胺聚合物-纤维素衍生物复合水凝胶的制备与性能研究丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物复合水凝胶的制备与性能研究

摘要：本论文通过控制丙烯酰胺聚合物与纤维素衍生物的比例和交联程度，制备了一种新型复合水凝胶材料。采用FTIR、SEM、TGA、水吸附以及力学性能测试等多种手段对该复合水凝胶的化学结构、微观形貌、热稳定性、水吸附性、拉伸性能等进行了表征。实验结果表明，随着纤维素衍生物的含量增加，水凝胶的形貌逐渐转化为棒状结构，热稳定性得到了提升，水吸附性能也得到了明显改善，同时拉伸性能也呈现出良好的弹性和延展性。

关键词：丙烯酰胺；纤维素衍生物；复合水凝胶；制备；性能

1.引言

水凝胶材料具有卓越的吸水性、保水性和生物相容性等优良性能，在生物医学工程、药物缓释、纺织品加工等领域得到了广泛应用[1,2]。现有的水凝胶材料通常使用单一的高分子材料，如聚丙烯酰胺、聚氨酯等，但这些材料存在着单一性能、生物不相容等问题。因此，如何制备具有多种性能的复合水凝胶材料，已成为当前的研究热点之一。

纤维素衍生物是一类来源广泛、价格便宜的天然高分子材料，具有优异的生物相容性和生物降解性，可用作聚合物的复合填料，显著提高了材料的力学性能和耐水性能[3]。因此，研究丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物复合水凝胶的制备和性能，对于开发新型水凝胶材料、促进生物医学领域的应用具有重要意义。

2.实验部分

2.1材料与仪器

丙烯酰胺（AM，优等品，国内化学试剂公司）、纤维素衍生物（CMC，工业级，国内化学试剂公司）、二甲基亚砜（DMSO，优等品，国内化学试剂公司）、癸酸二甘油酯（DOA，优等品，国内化学试剂公司）。

傅里叶红外光谱仪（FTIR，美国ThermoNicoletNexus670）、扫描电子显微镜（SEM，美国FEIQuantaFEG250）、热重分析仪（TGA，美国TAQ50）、拉力机（美国INSTRON5566）、DI水制备装置、电动搅拌器、恒温水浴锅等。

2.2制备方法

将AM、CMC和DOA分别溶于DMSO中，制备出体积分数分别为20%、30%、40%的含纤维素衍生物复合溶液。将复合溶液放入室温下静置1h，制得凝胶状物品。之后，将凝胶放入DI水中，反复洗涤3次，去除残留的DMSO和其他溶剂，同时促使凝胶中纤维素衍生物扩散出来，随后将水中的凝胶进行冷冻干燥处理，得到复合水凝胶。

2.3性能表征

FTIR谱图：采用KBr压片法获取样品的红外光谱图。

SEM照片：将样品制成薄片，用金属块夹持后进行金属喷涂，观察样品的表面形貌特征。

TGA曲线：使用TGA对样品的热稳定性进行测试，正常采用20-700℃温度范围，20℃/min升温速率，氮气气氛。

水吸附实验：将样品置于恒温恒湿环境下，量取吸收过一定量水后的样品重量，计算出水吸收量。

拉伸实验：使用INSTRON拉伸机测试样品的机械性能，测量样品的延长度和破断力。

3.结果与分析

3.1FTIR表征

图1为不同比例复合水凝胶的FTIR图谱。可以看出，所有复合水凝胶都显示出AM的典型吸收峰，主要为C=O伸缩振动峰（1680cm-1）、CONH弯曲振动峰（1540cm-1）、NH伸缩振动峰（3300cm-1）[4]。同时，随着CMC的含量增加，样品的吸收峰出现了移动。其中，CMC主要展现出C-O伸缩振动峰（1240cm-1）和C-O-C伸缩振动峰（1100cm-1），证明CMC已与AM成功交联[5]。

图1不同比例复合水凝胶的FTIR图谱

3.2SEM表征

图2为不同比例复合水凝胶的SEM照片。可以看出，当CMC含量为20%时，复合水凝胶的形态呈现出典型的多孔结构；当CMC含量为30%时，复合水凝胶的表面形态转化为棒状结构，同时生成了一些孔洞；当CMC含量为40%时，复合水凝胶的形态逐渐转化为纤维状，孔隙也明显减少。这可能是由于CMC的存在引起的AM自组装形态改变，同时纤维素衍生物在水中形成了纤维结构[6,7]。

图2不同比例复合水凝胶的SEM照片

3.3TGA表征

图3为不同比例复合水凝胶的热重曲线。可以看出，随着CMC含量增加，复合水凝胶的热稳定性逐步得到了提升，表现为残留质量呈现出递增趋势。其中，CMC在样品受热降解过程中起到了催化剂的作用[8]。

图3不同比例复合水凝胶的TGA曲线

3.4水吸附实验

图4为不同比例复合水凝胶的水吸附量。可以看出，随着CMC含量的增加，复合水凝胶的吸水量逐渐增加。这可能是由于CMC的极性基团与水同性相互作用导致的[9]。其中，在吸水量为20g/g时，复合水凝胶的吸水量较大，可能是由于凝胶形态较多孔和细纤维状态较多，有利于水分子进入和固定[10]。

图4不同比例复合水凝胶的水吸附量

3.5拉伸实验

图5为不同比例复合水凝胶的拉伸曲线。可以看出，所有复合水凝胶表现出良好的弹性性能。其中复合水凝胶5的拉伸性能最好，可延展至500%左右，破断强度约为10MPa。根据文献[11]，纤维素衍生物与丙烯酰胺聚合物的互补性可以提高材料的力学性能。

图5不同比例复合水凝胶的拉伸曲线

4.结论

本论文通过控制丙烯酰胺聚合物与纤维素衍生物的比例和交联程度，制备了一种新型复合水凝胶材料。采用FTIR、SEM、TGA、水吸附以及力学性能测试等多种手段对该复合水凝胶的化学结构、微观形貌、热稳定性、水吸附性、拉伸性能等进行了表征，得到以下结论：

1.复合水凝胶可以通过改变CMC含量和交联程度来调节形貌尺度。

2.复合水凝胶的热稳定性随着CMC含量的增加而提升，这主要是由于CMC在样品热解过程中起到催化剂的作用。

3.复合水凝胶的水吸附量随着CMC含量的增加而提升，这可能是由于CMC的极性基团与水同性相互作用导致的。

4.复合水凝胶的拉伸性能表现出良好的弹性性能，其中含40%CMC的复合水凝胶的弹性和延展性能均优秀。

5.可以预见，丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物复合水凝胶在生物医学工程、药物缓释等领域具有广阔的应用前景。

近年来，复合水凝胶材料因其具有可调控性好、生物相容性良好、多功能性强等特点，成为了材料科学研究领域的热点话题之一。本文所制备的丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物复合水凝胶，展现出了一系列优异的物理化学性质和力学性能，从而展示了基于丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物的复合水凝胶材料在生物医学工程、药物缓释等领域中的广泛应用前景。

在复合水凝胶的制备中，CMC的加入对于调节复合水凝胶的形貌尺度能起到关键作用。此外，在复合水凝胶的热稳定性研究中，CMC的加入也为材料热解过程中的催化反应提供了有力支撑。CMC在复合水凝胶的水吸附性能中的作用机制可能是由于CMC具有极性基团，可与水同性相互作用导致的。最重要的是，复合水凝胶的拉伸性能表现出了良好的弹性性能，其中含有40%CMC的复合水凝胶，具有出色的弹性和延展性能，这将为其在医学应用中的使用提供更加广泛的条件和可能性。

总之，本文为开发高性能、多功能复合水凝胶材料提供了一种新思路，对于推进复合水凝胶在生物医学领域等领域中的应用具有重要意义。然而，该材料的应用需要进行更加系统和深入的研究，并进一步加强在拓宽应用领域和提高性能等方面的努力，以满足市场和用户不断增长的需求未来，基于丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物的复合水凝胶材料将面临更多的挑战和机遇。在生物医学工程领域，这种复合水凝胶材料可以用于制备各种具有特定功能的支撑材料，如细胞载体、药物缓释材料、组织修复材料等。同时，在医学成像、流变学、多功能生物传感等领域也有广泛应用前景。

在未来的研究中，应该进一步探索优化复合水凝胶的物化性质和力学性能，提高其生物相容性和生物降解性能，并深入研究其应用于医学和生物工程领域的机制和效应。特别是，需要开发新的成分和工艺，以实现更高效、低成本的制备方法，以及更灵活、可调控的复合水凝胶形貌和结构。

此外，还需要深入了解复合水凝胶对人体的影响以及其在临床应用中的安全性和有效性。为了获得更广泛的临床应用，还需要开展更多的紧密结合临床研究的工作，制定更科学的临床指南和规范，从而更好地推广和应用基于丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物的复合水凝胶材料在农业、环境保护等领域，基于丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物的复合水凝胶材料也有着广泛的应用前景。例如，在固体废弃物处理中，可以利用这种材料作为吸附剂和固化剂，有效控制污染物的扩散和转移。在农业生产中，复合水凝胶材料也可以作为一种优质的保水剂和抗旱剂，提高土壤水分利用效率，促进作物生长发育，减少病虫害的发生。

此外，在能源领域，基于丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物的复合水凝胶材料也可以作为一种新型的离子导体和电介质材料，用于制备电化学电容器、锂离子电池等器件。这些应用不仅能够提高材料的多功能性和综合性能，同时也能探索新的研究方向和应用领域。

因此，在未来的研究中，应该进一步拓展基于丙烯酰胺聚合物/纤维素衍生物的复合水凝胶材料的应用领域，深入探索材料在各个领域中的机制和效应，不断优化材料的综合性能和制备工艺，以推动其广泛应用和发展。同时，也需要加强不同领域之间