水凝胶溶胀度

Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

 水凝胶的溶胀性与抗张强度

高分子凝胶是由具有网状结构的聚合物和溶剂组成的。水凝胶在水中可显着溶胀。溶胀性是指凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象，这是弹性凝胶的重要特性，凝胶的溶胀可分为两个阶段：第一阶段是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层，此过程很快，伴有放热效应和体积收缩现象（指凝胶体积的增加比吸收的液体体积小）第二阶段是液体分子的继续渗透，；这时凝胶体积大大增加。溶胀的大小可用溶胀度（swelling

capacity）来衡量。交联高聚物的溶胀过程实际上是两种相反趋势的平衡过程,溶剂试图渗透到网络内部,使体积溶胀导致三维分子网络的伸展,交联点之间的分子链的伸展降低了它的构象熵值,分子网络的弹性收缩力,力图使网络收缩。当两种相反的倾向互相抵消时,达到溶胀平衡。

高分子凝胶的溶胀特性与溶质和溶剂的性质、温度及网络交联结构有关。温度敏性水凝胶是指能随环境温度变化发生体积突变现象的一类水凝胶。这种凝胶具有一定比例的疏水和亲水基团，温度的变化可影响这些基团的疏水作用以及大分子链间的氢键作用，从而使凝胶结构改变，发生体积变化。

由于温度敏感性水凝胶的独特响应性，在药物可控释放、生物传感器、生物机械以及膜分离系统等方面有着极其重要的应用价值。自20世纪80年代Tanaka等报道了聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)水凝胶的温度敏感性后，水凝胶的温度敏感性受到了广泛的关注。

聚N-异丙基丙烯酰胺凝胶属于低温溶解型温度敏感性水凝胶，它在较小的温度范围内可表现出明显的亲水和疏水变化，从而表现出低温溶胀高温收缩的性能，其临界溶解温度下限在32℃左右。Inomata，Seker以及Kim等分别合成了N取代基不同的聚N取代丙烯酰胺类水凝胶，较深入地探讨了这类水凝胶的温度敏感性机理。 Takei 等研究发现，当NIPAm与亲水单体共聚时，聚合物的临界溶解温度会升高; 与疏水单体共聚时，聚合物的临界溶解温度则下降。国内对聚N取代丙烯酰胺类水凝胶的温度敏感性也进行了一些研究。张先正等以AAm与NIPAAm共聚合成了具有快速温度敏感的水凝胶，研究发现AAm的用量对凝胶临界溶解温度有着较大的影响。王昌华等利用丙烯酸(3-磺酸钾)丙酯(SPAP)与NIPAAm共聚，制备了P(NIPAAm-co-SPAP)水凝胶，发现该凝胶的临界溶解温度在人体温度(37 ℃)附近。

另外，一些研究还发现，有些水凝胶的溶胀比随温度的升高而增加，反之则降低，表现为热胀性，这类水凝胶称为高温溶解型温度敏感性水凝胶。

Hiroki 等合成的聚 (N，N-二甲基丙烯酰胺-co-丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸丁酯)与聚丙烯酸的互穿网络水凝胶就具有这种温度响应特性。当前合成出的温度敏感性水凝胶普遍存在强度较低的弱点。这主要是由于温度敏感性水凝胶一般含有一定比例的疏水和亲水基团，凝胶内部容易出现相分离，使得凝胶在溶胀后内部出现裂纹而容易破碎。温度敏感性水凝胶的这一弱点，在很大程度上限制了它在生物机械以及膜分离系统等领域的应用。因此，如何在保证凝胶温度敏感性的前提下，制备出强度较高的水凝胶，是一个急需解决的问题。

在凝胶的众多增强方法中，互穿网络(IPN)技术是一个很好的选择。利用互穿网络技术合成出的水凝胶，既能保持原有各组分的特性，又能通过聚合物网络间的相互缠结而起到对凝胶的增强作用。

水凝胶的溶胀度除了受环境条件(温度、ｐＨ值)的影响以外,还受自身结构、介质的离子强度的影响。同一条件下的交联密度越大,溶胀度越小;对于配比不同的水凝胶而言,配比的影响取决于温度和选择交联剂用量的标准的用量。

 凝胶消溶胀性能的测定

将在50 ℃下达到溶胀平衡的水凝胶准确称重然后迅速将凝胶放入60 ℃的去离子水中。每隔一定时间将凝胶取出，擦干表面水份，称重。凝胶含水率(WR)可由下式进行计算。

其中， Wd代表干凝胶的质量; We代表凝胶在50 ℃下达到溶胀平衡的质量;

Wt代表凝胶在60 ℃蒸馏水中消溶胀一定时间后的质量。

 凝胶抗压缩强度的测定

由于吸水后的凝胶的抗压缩力学性能与橡胶接近，因此用橡胶的压阻实验来表征凝胶的抗压缩强度。将干凝胶放入去离子水中，控制吸水时间以得到溶胀度相同的凝胶，然后将凝胶放入密闭容器中，在30 ℃的环境下放置4 h，使凝胶溶胀均匀，凝胶的溶胀度由Eq。将凝胶切成10 mm×10 mm×10 mm的正方体，在CMT-6104型万能力学测试仪上进行凝胶的橡胶压阻性能测试，压缩速度为1 mm/min，直至凝胶破裂。凝胶的抗压缩强度(stress strength)由以下公式计算:

其中F为试样截面受到的力，S为试样的截面积。

 敷料的功能与主要指标

理想的敷料应具有如下功能[[33]:防止水分与体液的损失;覆盖及保护创面不受感染;

良好的生物相容性;透气，保湿性良好:与创面有有较好的粘合力，不产生变形;有足

够的机械强度支持细胞分化增生;表面具有足够的细胞吸附能力，有利于细胞的薪附和

生长;能够促进上皮组织和肉芽的正常生长，促进伤口愈合，不留疤痕;材料来源充足，

易于制作、加工等。评价敷料性能的主要指标如下:

(1)机械性能:主要是抗张强度((tensil strength)和人体舒适性(comfortablity)。前者反

映敷料抵抗外力破坏的能力;后者体现敷料的柔顺性，反映敷料在外力作用下的变形特

点。

(2)细菌屏障作用:理想的创面敷料应能对微生物侵入起到阻隔的作用，有效地保

护创面，防止感染。

(3)粘附性:即敷料均匀、紧密地粘附在创面的能力，以撕脱力表示。

(4)吸收容量:即敷料吸收创面渗出液及有害物质的能力，吸收容量较大的敷料能

够防止创面积液，减少细菌生长，从而促进愈合。

(5)水蒸气透过率:适当的水蒸气透过率可使创面保持一个理想的湿度环境，防止

积液的同时也能保持创面湿润，有利于促进愈合。

(6)氧气通透性:氧气能够提高成纤维细胞的活性，有利于上皮组织成份胶原蛋白

的合成和表皮细胞的生长。

(7)其他:对于新开发的敷料应进行必要的毒性、抗原性及过敏性测试。若敷料中

加入了药物，需进行体外释药实验及探明其协同作用。

 抗菌机理

抗菌剂是对霉菌、细菌等微生物高度敏感的化学物质，它能通过化学反应或物理作用杀死与其接触的微生物。抗菌材料是指经过抗菌剂处理后具备了抗微生物性能的材料，在其使用过程中可以抑制对人类的正常生活和生产环境有害的微生物的生长和繁殖。

人体在正常的代谢过程中，不断产生酸性物质和碱性物质，也从食物中摄取酸性物质和碱性物质，酸性物质和碱性物质在人体内不断变化，但由于人体具有一定的酸碱平衡调节能力，所以正常情况下体内酸碱能保持相对平衡，这个平

衡就是酸碱平衡，平衡范围为酸碱度（即pH值），平均为，呈弱碱性。如果人体内的pH值经常低于，就称为酸性体质。

人体的正常pH值为，呈弱碱性，人体的免疫细胞最适宜的pH值条件就是。在这个条件下，免疫细胞的战斗力最强，人体的免疫力功能最好，但是如果pH值发生偏差造成下降，免疫细胞的活性将大幅度降低，免疫功能将随之减弱，而一些病毒和病菌却是在酸性条件下活性最强。

 水凝胶的制备

目前水凝胶的合成所采用的原料以液体和固体为主。较常用的聚合方法有溶液法、反向悬浮法、反向乳液法和分散聚合法等。引发方式除化学引发外，还有射线辐射引发、光引发、等离子体引发等，后几种引发方式由于未加化学引发剂，所制得的体系较为纯净。

溶液法

将单体溶于水中形成溶液，在适当的引发条件下引发反应，在一定温度下反应一定时间后，出料，得到凝胶状弹性体，经切碎、烘干、粉碎、筛分等工序即可得到产品。溶液法具有实施方法简单、体系纯净、交联结构均匀且不存在有机溶剂的使用及回收问题等优点。但溶液法还存在一些不足，如:反应过程中粘度增大，反应热难以排出；单体浓度低，设备利用率低和生产能力低；体系含水量较大，产品的后处理工序所需能量大

反相悬浮法

反相悬浮法是以油类为分散介质，单体的水溶液为分散相，引发剂溶解在水相中进行聚合的一种聚合方法。该体系一般包括单体、分散介质、分散剂、水溶性引发剂四个基本组成部分。反相悬浮法具有反应散热快、控温比溶液法容易，产品分子量比溶液聚合高，杂质含量比乳液聚合产品低，以及所得粒状产品不需粉碎工序等特点。该方法在制备聚丙烯酸钠高吸水树脂中被广泛采用。但反相悬浮法也存在一些不足，如较难获得稳定的反应体系，反应中容易结

块、粘壁、所得产品不如溶液法纯净等，且存在有机溶剂的使用、回收及污染等问题。

反相乳液法

将分散介质(油相)加到反应器中，再加入一定量的乳化剂达到其临界胶束浓度，充分搅拌，使乳化剂溶解并搅拌均匀，加热到反应温度，然后将单体滴加到反应器中形成稳定的乳液，同时滴加引发剂引发反应。一定时间后停止反应，破乳，得到含水量较低的浆料，经过一系列的后处理工序得到粉末状的产品。反相乳液法具有聚合速率快，产物分子量高等特点，但也存在反相悬浮法存在的缺点。在实际应用中，用反相乳液聚合法制备高吸水树脂并不多见。

辐射引发聚合法

所谓辐射引发聚合法即在高能射线照射下引发反应合成水凝胶的方法。辐射引发聚合法无需引发剂，具有工艺简单、成本低、吸水倍率高等优点，逐渐成为一种引人注目的技术之一

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ph 敏感水凝胶的作用原理

pH敏感水凝胶的作用原理主要是基于其聚合物链中存在大量的可解离成离子的酸性或碱性基团，如羧基、氨基等。这些基团在不同pH值的环境下会发生相应的解离或重组，从而改变水凝胶的体积。

具体来说，当pH值发生变化时，水凝胶中的酸性或碱性基团会解离或重组，导致凝胶内的部分氢键被破环，凝胶网络的交联点减少，凝胶网络结构发生改变，进而水凝胶的溶胀度发生改变。

此外，pH敏感水凝胶还可以根据其解离基团的不同分为阴离子、阳离子和两性型。例如，阴离子水凝胶中的大分子链上含有羧基等在碱性介质中解离的酸性基团，而在阳离子水凝胶中，大分子链上含有氨基等在酸性介质中解离的碱性基团。

需要注意的是，虽然pH敏感水凝胶在许多领域具有广泛的应用前景，但目前还存在一些局限性，如不能生物降解、只适于口服给药而不适合植入或注射给药等。因此，未来需要进一步开发新的生物降解水凝胶，如多肽类水凝胶、蛋白质类水凝胶、多糖类水凝胶等。

外文文献翻译

壳聚糖-聚乙烯醇复合水凝胶溶胀度及其生物相容性 2.2.1壳聚糖溶液和PVA溶液制备首先，聚乙烯醇水凝胶的制备，是先称5.0g聚乙烯醇粉末使其在100ml纯净水中进一步完全溶解，同时在电磁搅拌下，温度控制75±2℃（溶液A），就像我们团队之前的报道所示。[7-9]。5％的聚乙烯醇完全溶解后，让其冷却到室温和用1.0 M盐酸（）把pH值控制在（2.00±0.05）。壳聚糖水凝胶（壳聚糖）制备采用相似的步骤，称2.5g壳聚糖在250ml 2％的醋酸溶液（）中，电磁搅拌48小时（溶液B）。 2.2.2壳聚糖和聚乙烯醇复合水凝胶制备用不同量的聚乙烯醇溶液（溶液A）加入到1.0％的壳聚糖溶液（溶液B）获得以下几种壳聚糖/聚乙烯醇水凝胶，分别质量比为（0:1），（1:3 ），（1:1），（3:1）和（1:0）和用1.0M氢氧化钠溶液把pH值调节在（4.00±0.05）。将该混合物继续搅拌5分钟，直到聚乙烯醇和壳聚糖完全形成了清澈溶液。然后，缓慢加入交联剂（戊二醛），并不断搅拌。在溶液凝胶初期，戊二醛的最后浓度为1％和5％（质量分数％）。随着进一步反应，溶液不断塑化，接着在室温下其让干燥72至120 h，最后在40℃干燥24小时（恒重）。壳聚糖-聚乙烯醇复合水凝胶样品的化学交联反应产生凹痕已确定为（X： Y： Z）三种因素，X为壳聚糖的含量，Y为聚乙烯醇的含量，Z为戊二醛（质量分数%）。例如，样品组成确定为壳聚糖/聚乙烯醇/戊二醛=（1:3:1）,则：25％的壳聚糖，75％聚乙烯醇和1.0％（质量分数％）戊二醛。干凝胶储存在干燥器之前，要记录样品每一个特征。 2.3.4.1 溶胀度测试流体吸收研究是初步分析生物降解材料至关重要的步骤。测定流体摄取量，所有壳聚糖-聚乙烯醇水凝胶的样品摩尔比为0:1，1:3，1:1，3:1和1:0时，制备如前一节所描述的，都是质量比（W%），然后在37℃下，浸泡于吸附液体中。经过不同时间长度的浸泡后，用滤纸把表面上的水去掉，小心的将样品放到适当的容器中，然后测定样品的湿重（g），分析与浸泡时间的关系[9]。计算如下面

PEGDA水凝胶的制备,和溶胀性和药物释放的研究

PEGDA⽔凝胶的制备,和溶胀性和药物释放的研究

PEGDA⽔凝胶的制备及其溶胀性和药物释放的研究

【摘要】本⽂使⽤已除⽔除杂的有机物PEG和丙烯酰氯在三⼄胺的催化条件下制备得到聚⼄⼆醇⼆丙烯酸酯（PEGDA），并

通过葡聚糖凝胶柱分离不同分⼦量的PEGDA。然后利⽤制备的分⼦量相同的PEGDA配置成不同浓度的PEGDA溶液，在UV光

照射条件下发⽣交联反应制备得到含有不同浓度PEGDA的PEGDA⽔凝胶。在实验中，使⽤了红外光谱对聚⼄⼆醇（PEG）的

化学结构进⾏分析，并且使⽤核磁共振对聚⼄⼆醇（PEG）和聚⼄⼆醇⼆丙烯酸酯（PEGDA）进⾏表征，同时讨论了PEGDA

⽔凝胶的吸⽔能⼒（溶胀率）、药物释放能⼒（以罗丹明释放为例）等凝胶性能。研究发现，PEGDA⽔凝胶的溶胀率与时间

呈正相关关系，以罗丹明为例的药物释放，⽔凝胶与释放的时间也息息相关，并且⽤于制备⽔凝胶的PEGDA溶液的浓度对其

溶胀率、药物释放量等材料功能也有密切的联系。实验的结果表明通过调节制备⽔凝胶的PEGDA溶液的浓度，可以实现对PEGDA⽔凝胶的性能调节，这将有助于在以后的实验中，在⽣物材料应⽤中设计合适性能的⽔凝胶。

关键词：聚⼄⼆醇（PEG）、聚⼄⼆醇⼆丙烯酸酯（PEGDA）、⽔凝胶、溶胀、释放

⽔凝胶类物质由于具有良好的吸⽔性、黏弹性以及与⼈体组织相近的⼒学性能，近些年来⼴泛地运⽤于组织⼯程等领域，⽔凝

胶作为组织⼯程⽀架，能够起到细胞载体的作⽤，允许营养物质的交换与代谢产物的排出，同时能够起到⼒学⽀撑作⽤[1]。

⽔凝胶可分为天然材料与⼈⼯材料天然材料，虽然具有与⼈体组织相同或相近的化学成分，但由于⾮共价键交联，植⼊后在组

织环境中存在着不稳定性。本实验中的PEGDA⽔凝胶相对于PEG⽔凝胶具有更良好的性质，通过化学交联后的PEGDA将会更

稳定。由于分⼦链具有较好的柔性和适宜的极性, 并且能与丙烯酸系树脂很好相容, 在光固化体系中⽤作活性交联稀释剂时, 可

缩甲醛法制聚乙烯醇_PVA_水凝胶溶胀性能研究_吴李国

缩甲醛法制聚乙烯醇(PVA)

水凝胶溶胀性能研究

吴李国　章悦庭　胡绍华

(东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海,200051)

摘要　利用缩甲醛化的方法研制了聚乙烯醇水凝胶颗粒,系统地研究了这种水凝胶在蒸馏水中的溶胀性能,并比较了不同制备参数对该水凝胶溶胀性能的影响。关键词:聚乙烯醇,甲醛,水凝胶,溶胀,缩醛化中图法分类号:TQ31

固定化微生物处理有机废水的关键是选择合适的微

生物载体,聚乙烯醇水凝胶由于其优良的载体性能而受到极大关注,关于这方面的研究国内文献报道已经不

少[1～5],研究结果表明细菌的成活率和处理废水的效率

都令人满意。多数研究采用的聚乙烯醇水凝胶是利用冷

冻法(或者在冷冻过程中加入氯化钙)制备的。冷冻法水

凝胶的成型机理是冷冻解冻过程中的聚乙烯醇物理结晶形成交联点,进而形成网络结构。但是,由于冷冻法制得

的聚乙烯醇水凝胶颗粒内部的结晶不够完善,从而在使

用过程中导致聚乙烯醇水凝胶中的PVA的溶出量较大,

甚而导致废水处理的曝气池中产生大量泡沫。这不仅使

处理水的COD数值增加,而且水凝胶的使用寿命会较大幅度地降低。另外,含有氯化钙的水凝胶虽然聚乙烯醇

的溶出较少,但是在使用过程中,钙离子不可避免地会和

废水中的某些阴离子结合形成沉淀物,从而降低了废水

的处理效率。为了解决上面的问题,我们采用缩甲醛法研制了一种化学交联的聚乙烯醇水凝胶,并就甲醛、硫

酸、硫酸钠的用量对水凝胶溶胀性能的影响进行了详细

的研究。

1　实验部分

1.1　样品

聚乙烯醇(PVA),1799,醇解度为99.8%,上海石油化工股份有限公司生产,使用前经过水洗,以除去

可溶性杂质。海藻酸钠(化学纯)、甲醛(分析纯)、硫酸(分析纯),硫酸钠(分析纯)等市售。

1.2　水凝胶的制备

配制质量分数为5%～12%的PVA和1%～5%的

海藻酸钠混合溶液(A)和一定质量浓度的甲醛、硫酸和硫酸钠的混合溶液(B)。直径为3mm左右的A溶

液液滴以5mL/min的速度滴入轻微搅拌状态下恒温

聚(丙烯酰胺-co-丙烯酸)水凝胶的溶胀性能研究

７４　西北师范大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　第４９卷２０１３年第５期　Ｖｏ１．４９　２Ｏ１３　ＮＯ．５　

聚（丙烯酰胺一ＣＯ一丙烯酸）水凝胶的溶胀性能研究　

曹　春　，陈兴鹏　，王开涛　

（１．兰州大学资源环境学院，甘肃兰州　７３００００；　２．西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州　７３００７０）　

摘　要：探讨了用辉光放电电解等离子体引发制备的聚（丙烯酰胺一ＣＯ一丙烯酸）（Ｐ（ＡＭ　ＣＯ—ＡＡ））水凝胶的溶胀动力学行　为，研究了ｐＨ、温度和盐溶液浓度对平衡溶胀率的影响．结果表明，２Ｏ℃时，Ｐ（ＡＭ—ＣＯ—ＡＡ）水凝胶在蒸馏水中４　ｈ　达溶胀平衡；溶胀过程遵循ｎｏｎ－Ｆｉｃｋ溶胀扩散行为；该水凝胶具有ｐＨ敏感性和盐敏感性；在ｐＨ：６．４和ＰＨ一２．０　的溶液中具有可逆溶胀一消溶胀开关行为；在单价阳离子盐溶液中的平衡溶胀率比二价阳离子溶液中的更高．　关键词：聚（丙烯酰胺一ｃｏ一丙烯酸）（Ｐ（ＡＭ—ＣＯ—ＡＡ））；水凝胶；溶胀行为；溶胀一消溶胀　中图分类号：Ｏ　６３２．５；ＴＢ　３８１　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌ［）（）１－９８８Ｘ（２０１　３）０５—００７４　０５　

Ｓｗｅｌｌｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｏｆ　ａｃｒｙｌａｍｉｄｅ—ａｃｒｙｌｉｃ　ａｃｉｄ　

ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｈｙｄｒｏｇｅｌ　

ＣＡＯ　Ｃｈｕｎ　．ＣＨＥＮ　Ｘｉｎｇ—ｐｅｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｋａｉ～ｔａｏ。　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｉ　ａｎｚｈｏｕ　７３００００，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ）　

水凝胶的溶胀机理

水凝胶是一种具有高吸水性能的高分子材料，其吸水性能的优秀性质主要归因于其独特的分子结构和化学组成。水凝胶的溶胀机理涉及到许多因素，包括聚合物的分子结构、交联密度、分子间相互作用、溶液中的离子强度等。

水凝胶是疏水基团和亲水基团交替排列的聚合物网络结构，其中疏水基团主要由碳氢键组成，亲水基团主要由含氧和含氮的官能团组成。水凝胶的网络结构可以通过化学或物理方式进行交联，其中化学交联主要通过化学反应在聚合物链中引入交联剂来实现，而物理交联主要依靠分子间的吸引力和排斥力来形成网络结构。

聚合物的分子结构对水凝胶的溶胀性能有着显著的影响。聚合物的分子量和分子量分布越高，其分子链之间的相互作用力就越弱，从而导致水凝胶的溶胀性能越高。当分子量达到一定程度时，网络结构变得更加松散，因此可以容纳更多的水分子。

聚合物的交联密度也是影响水凝胶的溶胀性能的一个关键因素。互连密度越高，水凝胶的网络结构就越紧密，从而使其吸附水分子时更加困难。相反，低密度的交联结构会使水凝胶更容易吸收水分子。

溶液中的离子强度也会影响水凝胶的溶胀性能。离子在水凝胶中的浓度越高，就会破坏聚合物链之间的相互作用，从而减少水凝胶吸收水分子的能力。因此，高离子强度的溶液会降低水凝胶的溶胀性能。

水凝胶的低溶胀性能及其应用

作者：李凌白亚莉

来源：《新材料产业》2020年第04期

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心

水凝胶是一类极为亲水的三维网络结构凝胶。它能迅速吸水溶胀而不在水中溶解，当与水结合时，水凝胶通常能够显现出高度溶胀，这种情况对某些应用来说是非常有用的，例如婴儿的尿布、成人卫生用品、止血剂和农业用蓄水或营养物质的凝胶。但是，某些医疗应用，不允许高度溶胀。例如，可吸收明胶是一种不溶于水的、多孔的、柔软形式的明胶，作为止血剂施用于出血表面上。但是，它不适用于在脊柱周围施用，因为在吸收生理液体后可能溶胀并通过在限定骨腔内的压力造成神经损害;另外，在包括皱纹填充的美容和重建手术应用中，也不期望出现过渡溶胀。

另一方面，水凝胶的力学性能强有力地受到溶胀度的影响，抵抗溶胀的能力能够帮助水凝胶保持最初的形状和力学性能，并维持良好的稳定性。因此，在有别于高吸水凝胶的另外一个需求的角度，开发低溶胀度的水凝胶也显得尤为必要。

1如何定义低溶胀水凝胶

1.1溶胀度的定义

聚合物水凝胶的溶胀度是用来表征聚合物溶胀程度的一个最常用的物理量，溶胀度的表示方法见式（1）：

SR=（Wt-Wi）/Wi（1）式中的SR為凝胶的溶胀度;“Wt”为溶胀后的凝胶质量;“wi”为溶胀前的凝胶质量。对于一种给定的聚合物在一定条件下其溶胀度可采用以下方法确定：准确称量一定量的聚合物干凝胶置于蒸馏水、缓冲溶液或饱和食盐水溶液中，计算不同时间下的聚合物水凝胶溶胀度，当测定的溶胀度不随时问变化时，此溶胀度即为平衡溶胀度（以下简称“溶胀度”）。

1.2低溶胀水凝胶的定义和分类

许多聚合物水凝胶能够吸收为自身质量的数倍、数十倍甚至数百倍的溶剂，这样的水凝胶属于高溶胀水凝胶，例如用于婴儿尿布和成人卫生用品的聚丙烯酸盐超吸收凝胶;与此相反的，根据对现有技术的检索和分析，低溶胀水凝胶的溶胀度定义为低于100%，这显然与高溶胀水凝胶的溶胀度差别巨大，因而能够与其明显区分开。

pH响应性木质素水凝胶的制备及药物控释

化工进展， 2023， 42（6）30%。保持反应环境pH=12和交联剂用量90%不变，以AML-45质量分数为水凝胶的变量，合成不同比例水凝胶。根据不同AML-45质量分数制备水凝胶的平衡溶胀率曲线，结果如图5所示。

从图5中可知，水凝胶平衡溶胀率随着AML-45质量分数的增大呈现逐渐下降的趋势。当AML-45质量分数为20%时，水凝胶的溶胀率最大，为352%。当AML-45质量分数从20%~27.5%时，水凝胶的平衡溶胀率逐渐降低，说明随着AML-45浓度的增加，水凝胶的空间结构逐渐紧密，容纳水分子能力逐渐降低。在质量分数27.5%~30%范围内，水凝胶的平衡溶胀率没有明显变化，说明当AML-45质量分数达到定值后水凝胶吸收水分能力达到极限。因此，选择AML-45质量分数为22.5%~30%范围内合成水凝胶。2.2.2 交联剂用量对溶胀率的影响保持水凝胶反应环境为pH=12和AML-45质量分数为25%不变，以交联剂PEGDGE与AML-45的质量比为变量进行单因素实验，合成不同比例水凝胶。根据不同交联剂PEGDGE用量（PEGDGE与AML-45的质量比）制备水凝胶的平衡溶胀率曲线，如图6所示。从图6中可知，水凝胶平衡溶胀率随着交联剂用量的增加呈现先上升后下降的趋势。在交联剂用量为70%时平衡溶胀率为310%，交联剂用量为80%时平衡溶胀率达到最大值为338%。随着交联剂用量在70%~80%范围内水凝胶网状结构形成更加完整，能容纳更多水分子。随着交联剂用量进一步增加，水凝胶形成的三维网络结构逐渐紧密，抑制水分子的渗入及网络结构的扩展。而交联剂用量达到110%，水凝胶的溶胀率最低且水凝胶形态不好。因此选择交联剂用量在70%~100%为最佳。2.2.3 pH对溶胀率的影响保持AML-45质量分数25%和交联剂质量比90%不变，以水凝胶反应pH作为变量，合成不同比例水凝胶。根据不同反应pH制备水凝胶的平衡溶胀率曲线，如图7所示。

2个月内达到溶胀平衡水凝胶

全文共四篇示例，供读者参考

第一篇示例：

水凝胶是一种具有出色吸水性能的材料，可以在很短的时间内吸收大量的水分，广泛应用于农业、医学、工业等领域。水凝胶在吸水后会变得膨胀，这种膨胀过程有一个特定的时间，即溶胀平衡时间。本文将重点介绍水凝胶在2个月内达到溶胀平衡的过程。

水凝胶的吸水原理是什么呢？水凝胶是一种由交联聚合物组成的高分子材料，其内部有大量的孔隙结构和吸水分子与聚合物链之间的非共价键。当水凝胶接触水分时，水分子会渗入其孔隙结构，并与聚合物链上的非共价键形成氢键或范德华力，从而稳定吸水分子的存在。

水凝胶在吸水过程中会发生膨胀。由于水凝胶内部充满了吸水分子，其体积会逐渐增大，直至达到一个平衡状态。这个过程被称为溶胀平衡，在这个状态下，水凝胶的吸水速度将减缓，膨胀程度也将保持稳定。

水凝胶的溶胀平衡时间并非一成不变的，它会受到各种因素的影响。首先是水凝胶的种类和结构。不同种类的水凝胶具有不同的吸水速度和膨胀性能，因此其溶胀平衡时间也会有所差异。一般来说，颗粒较小、孔隙较多的水凝胶吸水速度更快，但也容易在吸水过程中失去稳定性，导致溶胀平衡时间延长。

其次是环境条件的影响。温度、湿度等环境因素都会影响水凝胶的吸水速度和溶胀平衡时间。通常来说，高温高湿的环境能加快水凝胶的吸水速度，缩短溶胀平衡时间；而低温低湿的环境则会减缓水凝胶的吸水速度，延长溶胀平衡时间。

在实际应用中，我们通常会利用这些因素来控制水凝胶的溶胀平衡时间。比如在农业领域，可以根据作物需水量和生长阶段的不同来选择不同类型的水凝胶，以满足作物的需水需求。在医学领域，可以根据伤口情况和患者需求来选择溶胀平衡时间适宜的水凝胶产品，以实现最佳疗效。

水凝胶在吸水过程中会经历溶胀平衡阶段，这个阶段的时间取决于水凝胶的种类、结构和环境条件等因素。通过控制这些因素，我们可以有效地调节水凝胶的溶胀平衡时间，实现更好的应用效果。希望通过本文的介绍，大家对水凝胶的溶胀平衡过程有了更深入的了解。

聚乙烯醇水凝胶的制备及其性能研究

长春工业大学硕士学位论文

摘要

聚乙烯醇是一种水溶性聚合物，因其良好的力学性能、生物相容性、高

亲水性广泛用于生物医用材料。随着材料科学与生命科学的发展，单纯的聚乙烯醇水凝胶已不能满足使用要求，这就要求对已有的聚乙烯醇水凝胶进行

改性，满足性能需要。本文通过冷冻一解冻法制备了物理交联的聚乙烯醇水凝胶，浓度不同、

循环次数不同、溶胀率不同：拉伸强度随着浓度的增加而增加，循环冷冻－

解冻方法是制备医用聚乙烯醇水凝胶的一种有效方法。

采用分步法制得了聚乙烯醇一海藻酸钙互穿网络水凝胶，其含水率随戊

二醛的加入量先增大后下降，随海藻酸钠与聚乙烯醇质量比下降先上升后下降，随ＣａＣｂ溶液浓度增加先增加后下降。红外光谱图、Ｘ射线衍射谱图表明

两者分子之间存在较强的相互作用。聚乙烯醇一海藻酸钙互穿网络凝胶膜拉伸

性能优于聚乙烯醇和海藻酸钙膜性能。

利用冷冻一解冻法使聚乙烯醇一聚丙烯酸半互穿网络形成物理缠结点，红外光谱图分析得知聚乙烯醇、聚丙烯酸分子之间存在氢键作用，形成了互穿网络结构。得到的凝胶具有温度、电场智能响应性，分析了智能响应机理。

将纳米轻基磷灰石、微孔轻基磷灰石预分散后，与聚乙烯醇制得复合物，

对其冷冻一解冻处理后，对聚乙烯醇与轻基磷灰石之间的相互作用进行了红外光谱、Ｘ射线衍射、ＤＳＣ表征，认为加入的纳米轻基磷灰石使聚乙烯醇结

晶完善程度提高，焙变增加。从聚乙烯醇一微孔经基磷灰石复合水凝胶Ｘ射线衍射谱图、ＤＳＣ曲线上可以看出，微孔轻基磷灰石与聚乙烯醇分子间存在

强烈的相互作用。关键词：聚乙烯醇冷冻一解冻法互穿网络智能响应相互作用