纤维素水凝胶的合成及其结构和性能表征

纤维素水凝胶的合成及其结构和性能表征周金平，常春雨，董首成，张俐娜

武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072，E-mail: jp.zhou@263.net

Figure 1. SEM micrographs of gel cross sections of the cross-linked cellulose hydrogels. 水凝胶是一类有广泛用途的高分子材料[1, 2]。纤维素由于具有很强的分子内和

分子间氢键，难溶于水和普通的有机溶剂，因此纤维素类水凝胶通常是用水溶性

纤维素衍生物通过化学和物理交联制得[3, 4]。前文开发出一种廉价、无污染的纤维

素新溶剂——NaOH/尿素水溶液[5]。本工作利用这一水溶液体系由纤维素通过“一

步法”直接制备水凝胶，并通过扫描电镜、红外光谱、固体核磁共振、紫外-可见

光谱仪、吸水性试验表征其形貌、结构和性能。

通过冷冻－解冻的方法将纤维素直接溶解在6wt％NaOH/4wt%尿素水溶液中

制得透明溶液。室温下缓缓滴加环氧氯丙烷到纤维素溶液中，然后升高温度至50

°C继续反应一段时间即得到水凝胶。这类纤维素水凝胶为无色、透明，具有很好

的光学透明度和良好的机械强度。扫描电镜照片（图1）示出五种水凝胶试样均表

现出均匀的大孔网络结构，孔尺寸在2 ~ 3 µm之间。正是由于这种“大孔”结构

以及纤维素分子链上丰富的羟基使它们具有很好的吸水功能。25 °C时，Gel-1、

Gel-2、Gel-3、Gel-4和Gel-5的溶胀比分别为59.1、57.5、53.6、31.6和45.3 g-H2O/g-

干凝胶。随温度升高，水凝胶的溶胀比呈缓慢下降趋势。对于相同浓度纤维素溶

液和等量交联剂制备的水凝胶，随着反应时间的延长，溶胀比降低。这可能是因

为水凝胶的交联度随时间有所增大导致。此外，凝胶的强度与其溶胀比相反，即

05001000150020002500300035004000020406080100

Water uptake (%)

Time (min) Gel-1 Gel-2 Gel-3 Gel-4 Gel-5

Figure 2. The water uptake of the

cross-linked cellulose hydrogels at 25 ℃ 溶胀比越小，凝胶强度越大。图2示

出干水凝胶试样再溶胀时的吸水率

随时间依赖关系。初期，水凝胶的吸

水速率相当快，然而随着时间的延

长，吸水速率变得越来越缓慢，最后

达到溶胀平衡。其中，Gel-1达到溶

胀平衡的时间最短，约80 min；而

Gel-4达到溶胀平衡的时间需要几

天。值得注意的是，这些水凝胶在达

到溶胀平衡时表现出不同的吸水率。

其中，Gel-4的吸水率可恢复到原来的90%以上，Gel-3和Gel-5的最大吸水率可以

达到80%以上，Gel-2的吸水率可恢复到70％。然而，Gel-1达到溶胀平衡后的吸

水率极低，仅为原来的22％。这一规律与水凝胶的溶胀比相反。本工作提供了一

种制备纤维素水凝胶的简便、价廉的新途径，而且在生物、医药和食品等领域具

有应用前景。

主要参考文献

[1] Z. B. Hu, Y. Y. Chen, C. J. Wang, Y. D. Zheng, Y. Li, Nature, 1998, 393, 149.

[2] N. A. Peppas, Ed.;Volumes I. II, and III. CRC: Boca Raton, FL, 1986.

[3] D. Capitani, M. A. Del Nobile, G. Mensitieri, et al., Macromoleules, 2000, 33, 430.

[4] A. Nakayama, J. P. Gong, Y. Osada, et al., Adv. Funct. Mater., 2004, 14, 1124.

[5] J. Zhou, L. Zhang, Polym. J., 2000, 32, 866.

致谢

本工作得到国家863计划（2004AA649250）、国家自然科学基金（20204011）

和中科院广州化学研究所纤维素重点实验室开放基金的资助。

Synthesis, structure and properties of cellulose hydrogels Jinping Zhou, Chunyu Chang, Shouchen Dong, Lina Zhang

Department of Chemistry, Wuhan University, Wuhan 430072, E-mail: jp.zhou@263.net

A series of novel cellulose hydrogels were prepared through one-step way from

cellulose by using chloride propylene epoxide as crosslinking agent. Morphology and

properties of the hydrogels were characterized with UV-Vis，NMR, FT-IR, scanning

electron microscopy and water absorption testing. The result showed that the hydrogels

have excellent mechanical strength and optics transparence. The cellulose hydrogels

have good ability for water absorption; because of theirs macroporous structure and the

cellulose chains contain abundant hydroxyl groups. The swelling ratio of Gel-1, Gel-2,

Gel-3, Gel-4 and Gel-5 at 25 °C was 59.1, 57.5, 53.6, 31.6 and 45.3 g-H2O/g-dry hydrogels, respectively; and the swelling ratio slowly decreased with an increase of

temperature. The re-swelling rate of dry hydrogels in water were proportional to theirs

swelling ratio, and the water uptake of Gel-4 was above 90%. This work provided a

simple and fast method for preparing cellulose hydrogels.

Keywords: Cellulose hydrogel, Mcroporous structure, Swelling ratio, Water uptake 纤维素水凝胶的合成及其结构和性能表征作者：周金平，常春雨，董首成，张俐娜作者单位：武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

1. 蔡杰.张俐娜.周金平.陈辉.金惠明新型再生纤维素纤维的制备和表征[会议论文]-20042. 蔡杰.张俐娜.周金平.祁海松.陈辉.Tetsuo Kondo.陈续明.朱鹏年 NaOH/尿素水体系制备新型纤维素丝结构与性能[会议论文]-20063. 周金平.蔡杰.张俐娜光散射和粘度法表征纤维素在NaOH/尿素水溶液中的行为[会议论文]-20034. 周金平.宋勇波.刘石林.张俐娜.蔡文华氰乙基纤维素的合成及其结构和物性[会议论文]-20065. 蔡杰.张俐娜新型再生纤维素纤维的结构与性能[会议论文]-20056. 蔡杰.张俐娜纤维素/NaOH/尿素水溶液的独特流变行为[会议论文]-2005 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Conference_6331519.aspx

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水凝胶的制备实验报告(3篇)

第1篇

一、实验目的

1. 了解水凝胶的基本原理和制备方法。

2. 掌握水凝胶的制备过程，提高实验操作技能。

3. 探究不同制备条件对水凝胶性能的影响。

二、实验原理

水凝胶是一种具有三维网络结构的亲水高分子材料，具有良好的生物相容性、生物降解性和力学性能。水凝胶的制备方法主要有物理交联法和化学交联法。本实验采用化学交联法，利用交联剂使单体发生聚合反应，形成水凝胶。

三、实验材料与仪器

1. 实验材料：聚乙烯醇（PVA）、交联剂（NaOH）、NaCl、蒸馏水等。

2. 实验仪器：电子天平、烧杯、磁力搅拌器、水浴锅、玻璃棒、滴定管、移液管等。

四、实验步骤

1. 准备溶液：称取一定量的PVA，加入适量的蒸馏水，在磁力搅拌器上加热溶解，得到PVA溶液。

2. 配制交联剂：称取适量的NaOH，加入适量的蒸馏水，得到NaOH溶液。

3. 混合溶液：将PVA溶液与NaOH溶液按一定比例混合，搅拌均匀。

4. 添加NaCl：在混合溶液中加入一定量的NaCl，搅拌均匀。

5. 制备水凝胶：将混合溶液倒入烧杯中，放入水浴锅中加热，观察溶液的变化。当溶液出现凝胶状时，停止加热。

6. 冷却：将水凝胶取出，放入冷水中冷却，使其凝固。

7. 切割：将水凝胶切割成一定大小的块状，进行性能测试。

五、实验结果与分析 1. 不同PVA浓度对水凝胶性能的影响：实验结果表明，随着PVA浓度的增加，水凝胶的溶胀率和力学性能逐渐提高，但水凝胶的透明度逐渐降低。

2. 不同交联剂浓度对水凝胶性能的影响：实验结果表明，随着交联剂浓度的增加，水凝胶的溶胀率和力学性能逐渐提高，但交联剂浓度过高会导致水凝胶的力学性能下降。

3. 不同NaCl浓度对水凝胶性能的影响：实验结果表明，随着NaCl浓度的增加，水凝胶的溶胀率和力学性能逐渐降低，但水凝胶的透明度逐渐提高。

六、实验结论

1. 通过化学交联法成功制备了水凝胶，并对其性能进行了测试。

2. 实验结果表明，PVA浓度、交联剂浓度和NaCl浓度对水凝胶的性能有显著影响。

水凝胶流变学表征

在水凝胶研究中，流变学表征方法起着至关重要的作用。上海保圣RH-30流变仪的应用使得研究人员能够深入了解水凝胶的流变学特性，为优化水凝胶性能提供重要依据。以下是水凝胶流变学表征的详细介绍。

1.蠕变和应力松弛特性

流变学主要研究材料的蠕变和应力松弛现象。在水凝胶中，蠕变表示在外力作用下，材料发生形变的过程；应力松弛则表示材料在去除外力后，恢复到原始形状的过程。通过研究蠕变和应力松弛特性，可以揭示水凝胶的力学性能和稳定性。

2.黏度和模量的变化

黏度和模量是流变学中的两个重要指标。黏度表示材料在流动过程中的阻力，而模量则表示材料在受力时的形变程度。水凝胶的黏度和模量受其结构、组成和制备方法等因素的影响，通过流变学表征可以分析这些因素对水凝胶性能的影响。

3.流变学实验方法的选择

为了获得准确的水凝胶流变学特性数据，需要选择合适的实验方法。常见的流变学实验方法包括：动态剪切实验、振荡实验、拉伸实验等。研究人员可以根据水凝胶的实际情况，选择合适的实验方法进行流变学表征。

4.应用案例

水凝胶在医疗、化妆品、石油等领域具有广泛的应用。通过流变学表征，研究人员可以针对不同应用场景，优化水凝胶的性能。例如，在医疗领域，研究人员可以通过流变学表征，研究水凝胶支架的力学性能和稳定性，以满足生物组织修复的需求。

5.未来发展趋势

随着水凝胶研究的深入，流变学表征方法也在不断发展。未来的发展趋势包括：高精度流变仪的应用，智能化数据分析，以及多尺度、多参数的流变学表征。这些发展趋势将有助于研究人员更加全面地了解水凝胶的流变学特性，为水凝胶在各领域的应用提供有力支持。

综上所述，水凝胶流变学表征方法对于研究水凝胶的性能和应用具有重要意义。通过上海保圣RH-30流变仪等设备，研究人员可以深入研究水凝胶的蠕变、应力松弛、黏度、模量等流变学特性，为水凝胶的优化和应用提供科学依据。随着流变学技术的不断发展，相信水凝胶流变学表征将在水凝胶研究领域发挥更加重要的作用。

水凝胶的合成、性质及应用.

大学化学第16卷第5期2001年10月知识介绍

水凝胶的合成、性质及应用

翟茂林哈鸿飞

(北京大学技术物理系北京100871

摘要本文介绍了水凝胶的制备方法、性质、影响其性质的主要因素及其在日用、工农业和医

用领域的应用。

水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。亲水的小图1 水凝胶网络示意图a 、b 表示内部4功能和3功能链联结点分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶的网络结构如

图1所示。水凝胶具有良好的生物相容性,自20

世纪40年代以来,有关水凝胶的合成、理化性质

以及在生物化学、医学等领域中的应用研究十分

活跃[1]。

水凝胶有各种分类方法,根据水凝胶网络键

合的不同,可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝

胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕

等形成的,这种凝胶是非永久性的,通过加热凝胶

可转变为溶液,所以也被称为假凝胶或热可逆凝

胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态, 如k 型角叉菜胶、琼脂等[2];在合成聚合物中,聚

乙烯醇(PVA是一典型的例子,经过冰冻融化处理,可得到在60 以下稳定的水凝胶[3]。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物,是永久性的,又称为真凝胶。

根据水凝胶大小形状的不同,有宏观凝胶与微观凝胶(微球之分,根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等,目前制备的微球有微米级及纳米级之分。根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH 等的变化不敏感,而环境敏感的水凝胶[4,5]

是指自身能感知外界环境(如温度、pH 、光、电、压力等微小的变化或刺激,并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化,利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等,这是1985年以来研究者最感兴趣的课题之一。

溶解纤维素-PVA复合凝胶的制备及其性能研究

张莉莉;司玉丹;王志国;范一民

【摘要】将微晶纤维素溶解于N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)溶剂体系,并与聚乙烯醇(PVA)NMMO溶液混合,采用溶胶-凝胶工艺制备纤维素-PVA复合凝胶,探究不同凝固浴对复合凝胶性能的影响,并利用X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、

扫描电子显微镜(SEM)等表征手段考察了复合凝胶的晶体结构、热稳定性、微观结构等性能,讨论基于NMMO溶剂体系纤维素与PVA复合的成胶机理.结果表明,与分别以水及无水乙醇为凝固浴制得的复合凝胶相比,以20％NMMO/1％硼砂为凝固浴制得的复合凝胶无裂纹,且具有良好的韧性,机械性能最佳;经NMMO溶解后制得的纤维素凝胶由纤维素Ι型转变为纤维素Ⅱ型,而经1％硼砂交联后制得的纤维素-PVA复合凝胶在2θ=13.18°和19.46°处出现新的结晶峰,其为PVA的衍射峰,说明纤维素与PVA交联复合;热重分析显示,与纤维素凝胶相比,纤维素-PVA复合凝胶的热稳定性显著提高,热降解初始温度从270℃升高至280℃左右;利用SEM可观察到经硼砂交联后的纤维素-PVA复合凝胶的孔隙约500 nm,相对于纤维素凝胶,其孔隙结构更均匀紧凑.

【期刊名称】《中国造纸学报》

【年(卷),期】2019(034)001

【总页数】5页(P31-35)

【关键词】N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO);纤维素;聚乙烯醇(PVA);凝胶材料

【作者】张莉莉;司玉丹;王志国;范一民【作者单位】南京林业大学化学工程学院,江苏南京,210037;南京林业大学轻工与食品学院,江苏南京,210037;南京林业大学轻工与食品学院,江苏南京,210037;南京林业大学轻工与食品学院,江苏南京,210037;南京林业大学化学工程学院,江苏南京,210037

【正文语种】中文

【中图分类】TQ352.77

凝胶材料是一种以液体或气体为分散介质、具有三维结构的高分子聚合物，其中水凝胶是一种亲水但不溶于水的低交联度材料，具有吸水、保水、高溶胀性能以及优良的缓释效果[1]；经干燥制得的气凝胶是一种具有高通透性三维网络结构、极高孔隙率、极低密度、高比表面积等特性的多孔材料。由于凝胶材料具备这些独特性质，从而被广泛应用于分离、吸附、催化、光电、传感器、生物医药等方面[2]。纤维素作为一种来源广泛的生物可降解天然高分子，因其可再生、无污染且内部含有大量丰富的官能团等特点使纤维素功能性生物材料成为研究热点[3]。纤维素基凝胶材料在具备传统凝胶特性的同时融入了自身的优异性能，如良好的生物相容性和可降解性，在制药和化妆品等行业应用广泛[4]。

甲基纤维素凝胶化原理

甲基纤维素凝胶化是指在甲基纤维素水溶液中添加一种交联剂，使得甲基纤维素分子间产生交联作用，形成三维网状结构，从而使溶液形成凝胶状态的过程。该过程可以分为以下三步：

第一步，甲基纤维素分子中的羟基与交联剂中的铝离子结合，形成具有交联性质的分子。

第二步，交联后的甲基纤维素分子通过物理交联作用（氢键、范德华力等）相互连接，形成三维的网状结构。

第三步，当交联数目较多时，甲基纤维素分子形成的三维网状结构逐渐紧密，溶液逐渐凝胶化。

甲基纤维素凝胶化的原理是基于物理交联作用的，其优点是凝胶化后能够保持水分子的流动性，使得凝胶具有较好的水合能力和渗透性。同时，凝胶中的甲基纤维素分子可以有效吸附和保护其他物质，如蛋白质、DNA等，在生物医药领域有着广泛的应用。

可以通过改变交联剂的种类和添加量，调节甲基纤维素凝胶化的强度和特性，从而满足不同的应用需求。此外，甲基纤维素凝胶化还可以通过改变pH值、离子强度等外部因素而发生变化，具有一定的智能响应性。

总之，甲基纤维素凝胶化是一种具有广泛应用前景的凝胶化技术，可以在生物医药、食品、化工等领域发挥重要的作用。

羧甲基纤维素钠基水凝胶的制备及性能研究

1.1 水凝胶

1.1.1 水凝胶的简介

水凝胶（Hydrogel）是能大量吸收溶剂且具有一定溶胀性能的三维网络结构的凝胶。水凝胶主要是由生物聚合物或聚电解质形成的结构，含有大量的滞留水，溶胀之后依然能够保持其原有的结构而不发生溶解。水凝胶主要是以高分子为主体的网络体系，柔韧性很好，具有一定的形变恢复能力，不仅吸水能力强可以吸收大量的水分，而且也具有保持网格体系中水分不流失的能力。束缚在凝胶网络中的水分，仍然可以自由活动。水凝胶的这种结构与生物体的结构很相似，因此水凝胶在生物体中也有良好的相容性，同时水凝胶还有对外界环境中的刺激（如环境中的温度、溶液中的pH等）产生响应的特性，许多行业都曾开发过水凝胶来满足自身的需求，如工业、农业、医学等领域。水凝胶凭借其优异的性能为其在各行各业的应用开辟了广阔的道路，与其相关的研究和开发以及销售都有长足的发展。研究出性能更加优良，应用更加广泛的水凝胶材料日益成为人们关注的重点，其中对环境敏感型、超强吸水吸液速率型、耐盐型和高强度型水凝胶材料的研发得到人们的广泛关注。

1.1.2 水凝胶的分类

水凝胶根据所用合成材料的不同，可分为合成材料水凝胶和天然材料水凝胶。天然材料是指存在于自然界自然形成的高分子物质，如纤维素、壳聚糖、淀粉、海藻酸等。合成材料是通过化学反应合成出来的人工高分子物质如聚乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚丙烯氰等。通过形成水凝胶交联方法的不同，可以将水凝胶分为了物理水凝胶和化学水凝胶。物理凝胶是通过分子间的作用力，如静电作用力、离子键、氢键或者和链缠绕等方式构成三维空间结构的凝胶。这类凝胶被称为假凝胶或热可逆凝胶，非永久性的。加热可以使其水凝胶形态转换为溶液。而化学交联是使用交联剂、引发剂，通过形成共价键的方式来构建凝胶的网格体系。

根据对外界反应程度，将水凝胶分为常态水凝胶和敏感型水凝胶。常态水凝胶指的就是在外界环境的刺激下没有响应，不会改变本身的空间网状结构和理化性能。敏感型则是指水凝胶当面对外界的刺激如：温度的升高或降低、光的强度变化、电流或电压的大小、压力的大小变化等水凝胶的形状，性能随之改变。

纤维素纳米晶结构色水凝胶

纤维素纳米晶是一种由纤维素分子组成的纳米级晶体结构，其具有高度有序的排列和结构。纤维素纳米晶通常具有纤维状形态，其直径约在5-20纳米之间，长度则在数百纳米到数微米不等。这种纳米晶结构使得纤维素具有优异的力学性能和特殊的光学效应。

在水凝胶方面，纤维素纳米晶可以作为水凝胶的重要成分之一。水凝胶是一种高度吸水并形成凝胶状物质的材料，通常具有多孔结构和大表面积，具有良好的生物相容性和生物降解性。纤维素纳米晶可以作为水凝胶的增稠剂和结构调节剂，通过其纳米级的结构和高比表面积，能够有效地增强水凝胶的力学性能和稳定性。

此外，纤维素纳米晶还具有特殊的结构色效应。由于纳米晶的尺寸和排列方式与可见光的波长相当，纤维素纳米晶会对不同波长的光产生衍射和干涉现象，呈现出特定的结构色。这种结构色效应使得纤维素纳米晶在光学材料和光子学领域具有潜在的应用前景。

总的来说，纤维素纳米晶结构色水凝胶不仅具有优异的力学性能和生物相容性，还具有特殊的光学效应，因此在生物医学材料、光学材料和纳米技术领域具有广泛的应用前景。

研究方向纤维素基水凝胶

纤维素基水凝胶是一种在近年来备受研究者关注的新型材料。它由纤维素作为主要原料制备而成，具有出色的生物相容性、可降解性以及优异的吸水性能。纤维素基水凝胶在生物医学、食品包装、环境治理等领域具有广泛的应用前景。本文将对纤维素基水凝胶的制备方法、性能以及应用进行综述，以期为相关领域的研究者提供有价值的指导。

首先，我们要明确纤维素基水凝胶的制备方法。纤维素的源头可以是天然纤维素或再纤维化纤维素，如木质纤维素、纸浆等。纤维素可经过化学或生物处理以获得水凝胶。化学方法包括纤维素的酯化、氧化、酶解等。生物方法则利用微生物、酶或发酵过程来提取和修饰纤维素。这些方法中的选择将直接影响纤维素基水凝胶的性能和应用。

其次，我们关注纤维素基水凝胶的性能特点。纤维素基水凝胶具有高度可调的吸水性能，可以实现高倍增效应，从而广泛应用于生物传感器、水净化等领域。此外，纤维素基水凝胶还具备优异的可降解性，不会对环境造成污染，因此在食品包装材料、药物传递等方面具有广泛应用前景。另外，纤维素基水凝胶还具有良好的生物相容性，能够与生物组织兼容，有助于生物医学领域的应用。

最后，我们要重点介绍纤维素基水凝胶的应用领域。首先是生物医学领域，纤维素基水凝胶可以作为组织工程支架、药物传递系统等方面的理想材料。其次是食品包装领域，纤维素基水凝胶可以应用于食品保鲜、延长货架寿命等方面，有助于环境友好型食品包装材料的开发。另外，纤维素基水凝胶还具有在环境治理领域的广泛应用前景，可以用于水污染物吸附、土壤修复等方面。

总之，纤维素基水凝胶作为一种新型材料，在生物医学、食品包装、环境治理等领域具有广阔的应用前景。通过对其制备方法、性能以及应用的全面综述，我们希望能为相关研究者提供指导，在推动纤维素基水凝胶的研究与应用方面发挥积极作用。

纤维素温敏水凝胶

纤维素温敏水凝胶是一种特殊类型的水凝胶，它由纤维素和温敏性聚合物组成。这种水凝胶在温度变化时，可以发生溶胀或收缩，从而改变其物理和化学性质。

温敏水凝胶的制备方法有多种，其中一种是将纤维素与温敏性聚合物进行混合，然后通过交联剂进行交联，形成水凝胶。另一种制备方法是将纤维素与温敏性聚合物进行共混，然后通过热处理或辐射交联等方法进行交联，形成水凝胶。

纤维素温敏水凝胶具有温度敏感性，其溶胀或收缩行为可以受到温度的调控。这种特性使得纤维素温敏水凝胶在智能材料、传感器、驱动器、药物释放等领域具有广泛的应用前景。例如，可以将纤维素温敏水凝胶应用于温度控制的药物释放体系中，根据需要调节药物的释放速度。

如需了解更多有关纤维素温敏水凝胶的信息，建议咨询相关行业专家或查阅有关研究论文。