【摘 要】
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水凝胶是一种含有水的三维网络结构材料,在驱动、传感、生物医学材料等领域有广泛的应用前景,随着水凝胶在性能与功能方面的要求提高,高强度水凝胶成为当前研究的热点。传统水凝胶的力学性能差,不耐疲劳等因素限制了水凝胶的应用。基于大分子胶束的非共价交联技术可以提高水凝胶的力学性能,这主要因为三个方面的优点:1、胶束在水凝胶体系中分散均匀,水凝胶的交联密度很均匀。2、聚合物链两端连接胶束,当长度足够时,聚合物
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水凝胶是一种含有水的三维网络结构材料,在驱动、传感、生物医学材料等领域有广泛的应用前景,随着水凝胶在性能与功能方面的要求提高,高强度水凝胶成为当前研究的热点。传统水凝胶的力学性能差,不耐疲劳等因素限制了水凝胶的应用。基于大分子胶束的非共价交联技术可以提高水凝胶的力学性能,这主要因为三个方面的优点:1、胶束在水凝胶体系中分散均匀,水凝胶的交联密度很均匀。2、聚合物链两端连接胶束,当长度足够时,聚合物链间相互缠结。当水凝胶受到外力时,胶束和周围聚合物链相互协作,共同分担力的作用,避免应力集中。3、具有可逆疏水缔合作用的胶束可以作为牺牲单元耗散能量,当外力撤去,又能自组装成胶束,使水凝胶具有良好的耐疲劳性。具有响应驱动行为的智能水凝胶因其在人造肌肉、软机器人、驱动器和传感器领域的巨大潜力而被广泛合成。然而,许多响应性水凝胶的弱机械性能、窄响应范围和慢响应速度阻碍了它们的进一步发展。具有优异机械性能的胶束交联水凝胶可以弥补这一点,以高强度水凝胶为基础合成的具有功能响应性的智能水凝胶更具潜力。本文分别研究了基于大分子胶束的非共价交联水凝胶的力学性能和水凝胶的功能响应性,分别合成了高机械性能的聚N-异丙基丙烯酰胺/丙烯酰胺水凝胶以及聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯/2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸水凝胶并且将两者组装成双层水凝胶,研究了双层水凝胶在驱动器方面的性能。本文对响应水凝胶驱动器的合成方法进行探索,并对水凝胶的形貌、溶胀、力学性能、功能响应性进行研究。研究从以下几方面进行:(1)温敏性水凝胶的合成。以双键化的三嵌段共聚物胶束为大分子交联剂,N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AAm)为单体,合成了一种坚韧的温敏水凝胶,水凝胶对温度有敏感性。所获得的水凝胶具有高达1.6 MPa的拉伸强度和高达127 MPa的压缩强度,这可通过改变配方来调节。此外,通过改变NIPAM与AAm的摩尔比,热敏水凝胶的较低临界溶解温度(LCST)可以在很大范围内进行调控。(2)pH和离子响应性水凝胶的合成。以双键化的三嵌段共聚物胶束为大分子交联剂,使用甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸(AMPS)作为单体合成离子型水凝胶。水凝胶有很强的粘附性并对pH和离子强度具有敏感性。(3)双层水凝胶驱动器的合成。在第一层温敏性水凝胶的顶部合成第二层离子水凝胶。双层水凝胶对温度、pH和离子强度变化有灵敏响应,长条状样品在几分钟内经历从直线到圆环的快速可逆形状转变。这种具有强韧性的多响应水凝胶装置在软致动器中具有广阔的应用前景。
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