聚乙烯醇-氧化石墨烯复合水凝胶的制备及其研究

聚乙烯醇-氧化石墨烯复合水凝胶的制备及其研究

摘要

【摘要】把硼砂当作交联剂参与合成的PV A水凝胶是一种很有潜力的柔软性材料。它具有多孔结构，能吸收大量的水，也可吸附一些污染物，在染料废水处理方面有很重要的应用。其次，加上毒性低、生物相容性良好以及易于成型等特点而使它被广泛用于生物医学领域。尽管此凝胶在诸多领域有着很重要的应用价值, 但是普通的PV A（硼砂）水凝胶机械性能相对较弱，在实际使用中存在易断裂和破损等问题，因而它的实际应用并没有我们想象的那么可观，所以迫切的需要对PV A/硼砂水凝胶改性以充分发挥其应用潜力。而GO拥有一定力学性能、生物相容性上佳、性能稳定的新型增强材料，所以在优化高分子材料性能方面有着良好的优势，因此本文利用硼砂为化学交联剂，GO做增强材料，经水浴加热后采用简单的冷冻-解冻的方法，即于化学和物理2种交联方式的作用下得到了PV A-GO复合水凝胶。为了了解复合水凝胶与纯水凝胶相比在结构、形貌和组成成分上的变化我们做了红外、SEM与XRD测试，也讨论了GO用量不同、冻融时间不一样的PV A-GO复合水凝胶的力学性能的变化。结果由PV A和硼砂之间存在的硼酸酯键与氢键可以使复合水凝胶示出出色的弹性和强的自我修复能力；复合水凝胶的一些性能受GO与体系中其余组分间相互作用力的影响，它的机械强度一般情况下能随GO用量的加大而得到明显的提升；在此次实验中因复合水凝冻融次数的增加，使它断裂的力表现出先升高后下降的倾向；且在PV A-GO复合水凝胶的自我修复能力最强，机械性能最佳时，GO用量等于3%、循环冻融次数等于4。

【关键词】PV A；GO；复合水凝胶；力学性能。

1前言

1.1水凝胶及其种类

水凝胶（Hydrogels）作为一类由可溶物质经过化学或物理手段相结合在一起而得到的、有很大应用潜力的材料，它以强的吸水性、良好的生物相容性以及特殊的网络结构而引起人们的广泛研究，因此它在医用材料、包装材料、建筑涂料、废水治理等诸多方面有着很重要的应用价值[1]。而随着多功能自修复材料的发展和对人们对水凝胶的深入研究，水凝胶的种类发生了很大的变化，但水凝胶的种类与其划分标准有关。其中它被划分为化学结合型与物理结合型凝胶是因为其可溶原料间的结合方式有异，且水凝胶的性质、功能与应用受到体系中各组分间相互作用力即交联类型的影响，所以对水凝胶制备方法的选择尤为重要，合成水凝胶的方法按其合成中可溶聚合物分子间作用力的差异被划作化学交联法、物理交联法，其中有化学交联剂参与的和经过辐射作用连接的可以统一定义为化学交联[2]。化学凝胶一种是因可溶物质分子经与化学交联剂发生反应而链接到一起得到的凝胶，此凝胶有良好的水分保留能力，但可能存在交联剂残留而影响凝胶品质的问题，另一种是经辐射使可溶聚合物分子相互链接在一起而得到的，该凝胶在制备过程中未使用任何化学交联剂是一种制备方法简单且环保的凝胶，但是该水凝胶的抗拉伸和抗压缩能力还有待提高。大部分的物理凝胶是通过循环的冻融而得到的，这种水凝胶虽有生物相容性良好与保留水分能力强等特点但远远达不到剔透的地步。

如果将水凝胶以来源分开，就有明胶、胶原等天然存在的凝胶、后续合成的凝胶（如PV A水凝胶、PAA水凝胶等）以及上面两者的混杂凝胶，其中天然水凝胶大多生物相容性出色、没有毒性, 但是力学性能欠佳的缺陷还有待弥补，而合成水凝胶虽然制备步骤不繁琐、价格经济，但是可能会有试剂残留问题而影响水凝胶质量。而水凝胶被划分为尺寸较小且独立的微凝胶、形状和尺寸可观的整体水凝胶（如豆腐、果冻）与被增强材料优化了相关性能的复合水凝胶是以它们的结构和尺寸为标准的，而在本文中主要介绍的是PV A为原料制备的水凝胶。

1.2聚乙烯醇-硼砂水凝胶及其应用

PV A作为一种制作过程不繁琐、成本经济、溶解性上佳的安全材料而深得人们喜爱，它以优良的溶解性、混溶性、粘弹性和生物相溶性被用作凝胶剂、涂膜剂、透皮制剂等而被广泛应用于建筑装饰、污废水处理、日用护肤和种植培育等方面[3],随着多功能材料的发展和对水凝胶结构和性能的深入研究，它在医用材料方面的应用价值逐渐显现出来。而归于无机交联剂之列的硼砂，能溶解于水且较环保，在水凝胶的生产中能发挥有很重要的应用价值。

而硼砂作为交联剂参与合成的PV A水凝胶是一种具有孔状结构，拥有良好的水分保留能力而又不溶解于其中的柔软性物质[4]。它拥有很多吸引人的性能：毒性低、保水效果好和生物相容性好等[5], 因此在生物工程医学、建筑装饰、生态环境保护等方面有着非常广泛的应用前景[6]。例如，伤口敷料，创伤面的愈合需要敷料，而经科学方法处理过的水凝胶对伤口温和、无毒副作用和刺激作用，同时它还具有液体吸收能力和促进患部对药物的吸收的能力，而且与普通的医用纱布相比它透气性好、能保持患部湿润、容易包扎，在清除时不会再次造成患部的感染，能减轻病人的疼痛，也不会在伤口内残留，它完全满足人们对伤口敷料的要求[7,8]。用以负载药物以增强疗效，我们都明白用药方式和其途径会影响疗效和病人的身体健康。例如，有的药物还没有到达患部时就已经被消解于肠胃道中了，不但达不到应有的疗效，而且还会刺激肠胃道给病人的身体造成额外的负担，而给药系统的诞生帮助人们解决了上述的难题，而负有药物的载体作为其中不可或缺的部分是会影响疗效的，所以选择一款安全、有效、稳定、廉价的药物载体具有非常重要的意义，而此水凝胶安全、不与药物发生反应、价格经济、具有多孔结构完全具备良好的释放药物的能力。PV A（硼砂）水凝胶因其迷人的生物相溶性、良好的水分保留能力和不溶于水的特点而与人体细胞在结构上具有相似性，因此能在医用支架材料方面发挥作用。总而言之，水凝胶除了在医疗（医美）上具有很重要的应用外，在其他方面也展现出不容忽视的应用潜力，如它具有多孔结构在环境保护中可作为污染物吸附剂来处理污水，在农林园艺中可用来改善土质和保持土壤水分，在室内装修中可以用作涂料，在工程建筑中可用于防水堵漏和水泥防护等[9-11]。

然而，随着医疗技术的进步、多功能材料的发展、众多新型产业的出现以及人们对身体健康问题