双网络水凝胶的制备及其力学行为研究

发布时间：2017-05-22 12:03

  本文关键词：双网络水凝胶的制备及其力学行为研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自然界的动、植物等生物体大多是软材料组成的,而水凝胶则是其中一种重要的、具有特殊结构的软材料,这种软材料是由充满水的三维高分子网络组成的。由于具有与生物组织的相似性、典型的响应性和溶胀性等一系列的特殊性质,水凝胶在药物传递系统、组织工程、电子传感和效应器件设计等诸多领域得到了广泛的应用。然而,传统水凝胶的力学特性较差,这使得水凝胶的应用被限制于那些对水凝胶的力学特性要求不高的地方,如药物传递系统,吸水材料等。虽然水凝胶和生物体组织和器官具有很大的相似性,然而填补合成的水凝胶和天然生物组织的水凝胶之间性能上的差距和并扩展水凝胶在生物体承载系统上的应用范围,仍然是一个很关键的课题。因此,研究水凝胶的力学行为对于扩展水凝胶的应用具有重要的意义。本文基于热力学框架、连续介质力学理论以及高分子理论,我们首先制备了高力学强度和韧性的海藻酸钙/聚丙烯酰胺双网络水凝胶,以及与其相对应的单网络的藻酸钙离子交联水凝胶和聚丙烯酰胺共价交联的水凝胶。然后,研究了水凝胶在低温条件-6℃到-45℃范围内的一些特性,研究结果表明,与传统水凝胶相比,海藻酸钙/聚丙烯酰胺双网络水凝胶在常温情况下表现出较好的力学特性。当温度降低到-6℃到-10℃,水凝胶开始变白,此时水凝胶的模量发生了显著的上升变化。但水凝胶整体上的力学行为和常温下较为相近。当温度降到-25℃时,水凝胶开始变得非常坚硬和展现出良好的塑性。当温度降到-50℃时候,屈服现象开始消失,代替的是水凝胶变得脆性。这些研究结果表明,即使往冰中掺入少量的高分子网络,却能让冰从脆性转化为韧性。基于水凝胶这种低温力学行为,水凝胶的应用领域将被扩展。另外一方面,基于模仿软骨的结构,制备了纤维增强水凝胶基复合材料,研究了沿垂直于纤维方向拉伸时复合材料薄膜的力学行为,建立了理论分析模型,得到了纤维增强型PAAm水凝胶中纤维的屈曲临界伸长比。含水量高达90wt%在低温条件下展现出的高强度,高延展性,以及能承受较高的压力载荷和各种弯曲、扭转、打结等大变形的特性,将会扩展水凝胶材料在低温领域的应用价值。另外,纤维增强水凝胶基复合材料的屈曲力学行为研究,对于软骨替代材料的设计和损伤预判起到了一定理论支撑和借鉴意义。
【关键词】：水凝胶 力学行为 低温 塑性 弹性纤维 屈曲
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O648.17
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 水凝胶材料概述11-15
• 1.1.1 水凝胶材料的基本概念11-12
• 1.1.2 水凝胶材料的分类12-13
• 1.1.3 软骨组织的力学特性13-14
• 1.1.4 软骨替代材料—水凝胶14-15
• 1.2 水凝胶材料常用制备方法15-17
• 1.2.1 化学交联方法15-16
• 1.2.2 物理交联方法16-17
• 1.3 水凝胶材料的功能和应用17-19
• 1.3.1 伤口修复(Wound Dressing)17-18
• 1.3.2 器件设计(Sensors and Actuators)18
• 1.3.3 药物传递系统(Drug Delivery System)18
• 1.3.4 组织工程(Tissue Engineering)18-19
• 1.3.5 角膜接触镜(Contact Lens)19
• 1.4 水凝胶材料力学特性研究现状19-22
• 1.4.1 滑动交联水凝胶(Slide-ring hydrogels)20
• 1.4.2 纳米复合水凝胶(Nanocomposite hydrogels)20-21
• 1.4.3 双网络水凝胶(Double network hydrogels)21-22
• 1.5 本文研究目的、研究内容及研究意义22-24
• 第2章 单、双网络水凝胶材料和纤维增强水凝胶基复合材料的制备24-29
• 2.1 Alginate/PAAm双网络水凝胶的制备24-26
• 2.1.1 试剂和实验仪器24
• 2.1.2 合成步骤24-26
• 2.2 PAAm单网络水凝胶的制备26-27
• 2.2.1 试剂和实验仪器26
• 2.2.2 合成步骤26-27
• 2.3 Alginate单网络水凝胶的制备27-28
• 2.3.1 试剂和实验仪器27
• 2.3.2 合成步骤27-28
• 2.4 纤维增强水凝胶基复合材料的制备28
• 2.4.1 原料和试剂28
• 2.4.2 合成步骤28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 水凝胶的低温力学研究29-45
• 3.1 引言29-30
• 3.2 实验30-37
• 3.2.1 低温单轴压缩实验30-33
• 3.2.2 低温SEM扫描观察实验33-36
• 3.2.3 水凝胶相转变实验以及DSC测试36-37
• 3.3 数据分析和讨论37-42
• 3.4 用途和意义42-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 纤维增强水凝胶基复合材料的纤维屈曲行为研究45-57
• 4.1 引言45-46
• 4.2 单轴拉伸测试46-53
• 4.3 理论建模和分析53-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 总结和展望57-60
• 5.1 总结57-58
• 5.2 展望58-60
• 参考文献60-66
• 作者简历66
• 攻读硕士期间科研成果66

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本文编号：385630