水凝胶的强韧化、结构化及功能化研究

发布时间：2024-05-16 03:54

　　水凝胶是由交联的三维高分子网络及其中的水所组成的一种新型软材料,具有含水量高、孔隙率大、响应速度快、生物相容性好等优势,因此在组织工程、人造器官、药物释放以及软体机器人等领域表现出巨大的应用前景。但是,传统的通过化学交联剂得到的单网络凝胶由于凝胶网络不均匀而且缺乏有效的能量耗散机制,由此得到的水凝胶通常软而脆,这极大地限制了水凝胶在承力型材料(如人造软骨组织)中的应用。近年来,随着研究人员开始意识到不同尺度的能量耗散机制可以有效提高水凝胶的力学性能,涌现出了一系列强韧型水凝胶,其中比较典型的是双网络(double-network,简称DN)水凝胶。但遗憾的是,传统的双网络水凝胶通常都是化学交联的高分子网络,这些凝胶网络中所使用到的化学交联点在破坏之后无法恢复,因此DN凝胶的抗疲劳效果通常较差;另一方面,有化学交联网络存在的DN凝胶的制备通常都受限于反应的模具,不仅极大地限制了强韧型水凝胶的成型形状和结构,而且难以实现大规模的生产。鉴于现有的强韧型水凝胶在成型和实际应用时所面临的上述问题,我们在本论文中提出通过3D打印技术来制备具有复杂形状和结构的强韧型水凝胶。我们首先制备了一种可以适应...

【文章页数】：126 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．２水凝胶的不同交联方式，（ａ）化学交联的水凝胶在破坏之后无法回复，（ｂ）??天然多糖或蛋白质可以在热驱动下发生高分子链的可逆缠结，（ｃ）离子键交联的??

ｍ??１．２水凝胶的交联机理与高分子链的种类??水凝胶的形成依赖于水相介质中分散的高分子链的交联作用（如图１．１）。按??照交联作用的本质，可以分为化学交联以及物理交联。化学交联点的形成，源于??多官能度的小分子交联剂与高分子链之间的共价键的交联作用，它具有稳定性好、??使用灵活....

图１．３水凝胶的断裂能可以分为三个部分：（ａ）沿着裂纹平面上高分子链的断裂??所需的能量，（ｂ）裂纹影响区中受到循环加载的水凝胶耗散的能量，（ｃ）裂纹尖??端处连接区的增强相被拉出所需要的能量［４５，５４］

断裂能的贡献很难获得强韧性的水凝肢［４５，５３］。??对于强韧型水凝胶来说，裂纹的传播不仅会拉断裂纹平面内的高分子链，而??且还会引起裂纹周围较大范围材料的能量耗散。如图１．３所示，一个有缺口的水??凝胶样品受到拉伸时，厚度为Ａ的裂纹影响区（图１．３）内的材料经历了循环加??载的....

图１．４具有高拉伸性的纳米复合水凝胶纳米粘土在水凝胶基体中可以作为??

绪论??升了凝胶网络中交联点的均匀性，减少了凝胶受力过程中的局部应力集中的现象；??另一方面，纳米粘土之间柔性蜷曲的高分子网络提供了基体的拉伸性（图１．４）。??——，心，、：：一￣４??图１．４具有高拉伸性的纳米复合水凝胶纳米粘土在水凝胶基体中可以作为??强度较弱的交联点存在，....

图１．５化学交联的双网络水凝胶［６６］，（ａ）双网络水凝胶由一层分子链较短且刚性??（

胶中的应力。以上几方面的原因使得ＤＮ凝胶的力学性能得到极大提高［６７，６９＿７｜］。??单轴拉伸时ＤＮ凝胶出现的细颈现象，以及撕裂测试时裂纹周围出现的明显屈服??区，都很好地证实了这种增韧机理（图１．５ｂ）?［７２］。??（３）?１ｓｔ?ｎｅｔｗｏｒｋ?２ｎｄ?ｎｅｔｗｏｒｋ?《....

本文编号：3974650