双网络水凝胶纤维的增韧机理和纺丝工艺研究

This proposal uses a double-network hydrogel as a principle structure model. In the planned research, a system design will be fulfilled by combination of controlled copolymer synthesis, nano-material incorporation, and versatile crosslinking methods, to adjust multi-scale structures in hydrogel membranes, to deeply explore the toughening mechanism of polymer hydrogel systems. The hydrogel systems optimized above will be further converted into fibers by wet-spinning, through finely varying condensing baths and post treatments. In this way, a few hygrogel fibers of high toughness can be obtained. The applicant will systematically study the effects of polymer chain structures and molecular weights, hydrogel component contents, crosslink and nano-additive types, by monitoring the network structures and mechanical properties of hydrogels. The stability, responsiveness to stimuli, and spinability of hydrogel systems will also be observed. We expect to prepare highly tough hydrogel fibers that can be durable and processible with versatile weaving or knitting techniques, by well tunning the wet-spinning parameters and crosslinking post-treatments. These fibers will support the design of many novel functional textiles.

本项目拟以双网络水凝胶为基本结构模型，应用可控共聚物合成，纳米复合，及多种交联方法相结合的系统设计，实现在水凝胶膜材料中的多尺度结构调控，进行高分子凝胶体系的增韧研究。然后将上述优化的凝胶体系进行湿法纺丝，通过适当调整凝固浴条件和后处理方法，可以获得几种高韧性的水凝胶纤维。本试验中申请者将系统地研究高分子链结构及其分子量，凝胶体系组成，交联种类，以及纳米填料种类对产生的网络拓扑结构和凝胶材料力学性能的影响，并综合考虑凝胶体系的稳定性，环境响应性和可纺性。预期通过控制纺织工艺参数，灵活应用后处理交联方法，来获得高韧性的，可长期使用的，适于机织或针织加工的水凝胶纤维，为功能纺织品的设计提供新的材料。

本项目系统地研究了高分子链结构，凝胶体系组成，交联种类，以及纳米填料对产生的网络拓扑结构和凝胶材料力学性能的影响，评估了凝胶体系的稳定性，环境响应性和可纺性。通过合适的纺丝工艺及交联方法，获得了高韧性的适于机织加工的水凝胶纤维，为功能纺织品的设计提供了新颖的纤维品种。.合成了无规共聚物聚（丙烯酰胺-co-双丙酮丙烯酰胺），P（AM-DA），与己二酰肼（ADH）在加热后形成共价交联网络，有别于自由基聚合生成的聚丙烯酰胺（PAM）交联网络。后者会产生与另一组分多糖的共价键结合。通过对比这两个交联体系，评估了双网络间共价结合对凝胶韧性的影响。选取i型卡拉胶（IC）同PAM的双网络体系，在合适的组分比例和共价交联密度下，达到了超过25倍的伸长率和110kPa的表观拉伸强度。.研究了一种含有聚乙二醇结晶软链段的高吸水性热可塑聚氨酯（HTPU）的吸水性质和力学性能。随着吸水量的增加，它可以从强韧的塑料转变为超韧性水凝胶，最后变为弱水凝胶。达到最大含水量89%时，它仍有2.6MPa的拉伸强度和500%的断裂伸长。这一物理多重交联的聚氨酯与化学交联的聚丙烯酰胺结合制成双组分水凝胶，进一步提高了水凝胶的强度和伸长率。.采用甲壳胺与丙烯酰胺溶液自由基聚合，通过气相扩散提高pH值原位制备了纳米甲壳胺纤维增强的水凝胶。发现当纳米纤维达到临界浓度后，体系的韧性发生跳跃式的提高，类似于海参表皮的刺激应变。使用细菌纤维素微簇与聚丙烯酰胺/卡拉胶共价交联网络相结合，成功增强了水凝胶，使其拉伸模量提高了近10倍，断裂强度提高了一倍，拉伸倍数仍能达到15倍。.然后把卡拉胶和高分子量的聚丙烯酰胺混合热溶液通过湿法纺丝制得了连续的水凝胶纤维。采用电子束辐照施行后交联，得到了稳定化的纤维。该纤维经过湿态拉伸而后干燥，得到了遇湿后恢复原尺寸的形状记忆纤维。这两种凝胶纤维，在手工织机上加工成了具有单向收缩功能的机织布，并作为伤口敷料试用于大鼠皮肤伤口上，促进了伤口的愈合。