基于离子交联的高强度水凝胶的制备

基于离子交联的高强度水凝胶的制备

水凝胶作为一种软而湿的材料,它兼具高含水率、生物相容性和渗透性等优良性能,使得其在生物医学领域得到了广泛的研究和应用。然而,传统的水凝胶由于其脆弱易碎的特性,在实际应用中受到了极大的限制。

近年来,为了提高水凝胶的力学性能,基于引入有效能量耗散机制,或者克服其固有结构不均匀性,研究者合成了多种韧性水凝胶。然而,合成强度更高,韧性更好的水凝胶材料,以进一步扩大其使用范围,仍然是一个巨大的挑战。

离子交联作用是一种可逆的物理交联作用,从而赋予了由离子交联网络形成的水凝胶可回复的特点。自从研究者引入海藻酸钠与钙离子之间相互作用作为水凝胶的交联网络后,研究者们对于离子交联的水凝胶的性质进行了广泛的探索。

本文基于离子交联作用,利用三价铁离子和羧酸根基团的离子相互作用,设计了新型水凝胶,并且同时用弱的氢键相互作用替换了传统水凝胶的化学交联网络,从而得到了纯的物理交联网络的水凝胶。我们制备的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物/海藻酸钠/Fe3+水凝胶具有超高的弹性模量(约24.6 MPa)、拉伸强度(约10.4 MPa)、压缩强度(约44MPa)和断裂能(约4800J/m2)。

同时,水凝胶在0.5-2mol/L NaCl溶液中具有较高的稳定性,力学性能优越。由于水凝胶由完全的物理作用形成的,其同时具有愈合性能。

经过处理后得到的愈合水凝胶的断裂应力可以达到7.1 MPa,这一数值迄今为止报道的愈合水凝胶的最大值。而且,利用它的愈合性能,我们可以将水凝胶作为建筑模块,通过在原始制备的水凝胶之间形成离子键愈合,从而构建各种复杂结构的水凝胶图形。

为了进一步提高水凝胶的力学性能,在水凝胶中引入各向异性的结构是一个

行之有效的方法。我们设计了两种简单的制备各向异性水凝胶的策略,即在受限条件下用离子相互作用来制备各向异性水凝胶。

我们首先制备一个不含化学交联的单一离子交联丙烯酰胺-丙烯酸共聚物/Fe3+水凝胶,然后我们使用预拉伸方法,在拉力作用下,将这一单离子交联的水凝胶拉伸并且固定在模具上。为了使在外力下的各向异性结构能够固定下来,我们随后对固定在模具上的水凝胶分别采用真空干燥和冷冻干燥这两种干燥方式,而在干燥过程中,水凝胶中多余的Fe3+会发生迁移和重排,从而得到的干凝胶的各向异性结构的分子链会在铁离子迁移重排的过程中固定下来。

最后,为了得到高水含量的水凝胶,我们将在模具上的干凝胶置于热水中,而多余的铁离子会在水凝胶内部和外部迁移,进一步发生重排。经过这样的方式,我们得到了具有良好力学性能的各向异性结构的水凝胶。

在理想实验条件下(即AA/AM摩尔比为0.2,铁离子浓度为0.3M下),所得到的水凝胶的力学性能有了极大的提升,沿预拉伸方向,水凝胶的拉伸强度可以达到20.6MPa,弹性模量为30MPa,同时含水率可保持在52.8wt%。