纳米纤维素增强水凝胶的制备、微结构调控机理与特性

The conventional hydrogels usually have poor strength. The nanocellulose with narrow size distribution and structure determination through chemical mechanical preparation will used to reinforce the polyvinyl alcohol hydrogel on this study. The cross-linking method and freezing and thawing method will used to prepare the environment-sensitive hydrogel. The reinforce effect and interaction mechanism between properties of nanocellulose and polyvinyl alcohol hydrogel will be investigated by the use of FTIR, XPS, TEM and other means. The effect of raw material ratio, technology to the properties of nanocellulose hydrogel composite materials will be explored. The response of hydorgel in pore size, temperature, pH value, pressure of single factor and interaction will be investigated. In order to control the stimulus response, the pore-forming agent, cross-linking agent will be tried to control the microstructure of composite hydrogel. The project aims to improve the poor strength and uneven distribution of reinforced fiber of traditional hydrogel, and develop the hydrogel of high strength and high intelligence. The research results will lay the theoretical foundation for industrialization development of hydrogel which are applied on the drug controlled release.

传统的水凝胶通常强度较差，本研究拟用化学机械法制备颗粒粒径分布窄、形貌结构确定的纳米纤维素增强聚乙烯醇水凝胶，利用化学交联法和冷冻-解冻法制备多孔环境敏感型水凝胶，运用FTIR、XPS、TEM等手段考察纳米纤维素性状与聚乙烯醇的增强及相互作用机理，探索原材料配比、工艺对纳米纤维素水凝胶复合材料性能的影响。考察该水凝胶在孔洞尺寸、外界温度、pH值、压力单因素及相互作用时的响应情况，尝试通过致孔剂、交联剂调控复合水凝胶的微观形态，以此控制复合水凝胶的刺激响应。本项目旨在改善传统水凝胶强度差和增强纤维分布不均的特性，研发出高强度高敏感型智能型水凝胶。研究成果可为该类水凝胶应用于药物控释方面提供理论基础和产业化开发依据。

传统的水凝胶通常强度较差，孔洞分布不均匀，本研究采用化学机械法制备尺寸分布均匀的纳米纤维素(CNF)，并以纳米纤维素、碳纳米管(MWCNTs)为增强相，结合聚乙二醇(PEG)、混合溶剂体系等利用冻融循环法制备了孔洞结构可调的多孔水凝胶。运用 FTIR、 SEM、 TGA 等手段考察纳米纤维素性状、碳纳米管与聚乙烯醇的增强及相互作用机理，探索原材料配比、工艺对复合水凝胶性能的影响。首先，通过不同分子量聚乙二醇作为致孔剂成功制备出孔洞结构可调的CNF/PVA复合水凝胶。从微观结构的数据分析中可以看出，PEG作为致孔剂在物理交联制得的PVA水凝胶中显著影响着凝胶的微观结构。随着PEG含量的增加，凝胶出现多孔结构并且逐渐变得均匀。此外，随着PEG分子量的增大，水凝胶的孔径尺寸也随之增大。由于多孔结构的出现，水凝胶的溶胀度得到了极大的提高。加入CNF后，PEG改性水凝胶出现高度多孔和互穿结构，溶胀性能和热稳定性能得到进一步提升。接着以二甲亚砜/水作为混合溶剂，以CNF为增强相制备出孔隙结构均匀且力学性能好的聚乙烯醇复合水凝胶。测试结果表明：混合溶剂体系可使得复合凝胶产生均匀的多孔结构，CNF含量的高低起到了孔径大小的调控作用；复合凝胶的溶胀度明显提高，CNF的加入显著提高了复合凝胶的压缩强度，且压缩强度的大小取决于CNF的含量；此外，CNF显著提高了复合凝胶的热稳定性。最后，利用冻融循环法制备了羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs）/聚乙二醇（PEG）-聚乙烯醇（PVA）复合水凝胶。考察了不同质量配比下复合水凝胶的微观形貌变化，并对复合凝胶的溶胀性能，拉伸强度、热稳定及导电性能进行了研究。结果表明，加入MWCNTs后MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶仍具有多孔的三维网状结构但孔径尺寸变小。当MWCNTs与PVA的质量比大于1.0:100时，MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的孔洞的均匀性降低。随着MWCNTs量的增加，MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的溶胀度及拉伸强度均呈先升高后降低的趋势。当MWCNTs与PVA的质量比为1.0:100时，MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的溶胀度达到最大（1450%），孔隙率最高（75.8%），拉伸强度及断裂伸长率达到最大值，分别为0.97 MPa和384.0%。MWCNTs的加入提高了MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的热稳定性，