形状记忆的高强度疏水缔合水凝胶及其三维复杂变形

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疏水缔合水凝胶(Hydrophobically Associated Hydrogel,HA凝胶)是以物理的疏-疏水相互作用作为交联点形成的物理型水凝胶。和传统化学交联的水凝胶相比,一方面,由于物理的疏水缔合作用,这些疏水聚合物具有独特的流变行为,可以用于制备pH响应、热响应性以及可注射型水凝胶。另一方面,由于疏水缔合作用的可逆性,此类凝胶具有很好的自愈合能力。此外,由于疏水区内长的侧链烷基能够形成微晶区,可以很好的固定暂时的形状,因此也是制备具有形状记忆功能材料候选者。本文通过组成优化制备了形状记忆的高强韧结晶性疏水缔合水凝胶、与离子转染技术相结合的形状记忆水凝胶和近红外响应性的形状记忆水凝胶。研究了他们的增强增韧机理、凝胶的自恢复、自修复性能、形状记忆功能以及3D复杂变形行为,具体内容如下:(1)形状记忆的高强韧结晶性疏水缔合水凝胶:采用自由基胶束聚合的方法制备物理交联的HPAAm-A11AUA HA凝胶,研究了其成胶机理,并探索了不同实验条件对HA凝胶拉伸力学性能的影响。在最佳配方的实验条件下,HPAAm HA凝胶的拉伸应力(σf)、拉伸应变(εf)、弹性模量(E)、断裂能(W)和撕裂能(Γ)分别可以达到0.75 MPa、29.50 mm/mm、1016 kPa、17.53 MJ/m3和7540 J/m2;并且该水凝胶具有快速的自恢复特性(在60℃的条件下,加热2 min,韧性恢复94%)以及很好的自修复性(在60℃的条件下,加热2 h,强度修复64%,拉伸应变修复85%)。此外,该水凝胶还具有很好的形状记忆功能(在80℃的条件下加热,15s内就可以从复杂的3D形变中恢复到最初的2D平面结构)。(2)离子转染的形状记忆水凝胶及其3D复杂变形;采用自由基胶束聚合的方法在制备HPAAm-A11AUA HA凝胶的基础上,在凝胶网络中引入丙烯酸(AAc),制备了具有形状记忆功能的物理交联的HPAAm-A11AUA-AAc HA凝胶。通过将Fe3+局部地印染在凝胶片表面,之后将其浸在80℃的水浴中热处理,研究Fe3+对该水凝胶变形行为的控制。实验结果表明,Fe3+可以很好的控制该水凝胶的变形,并能够实现该水凝胶从简单的2D结构到3D以及更复杂结构的转变。而且,我们很好地实现了由线对面的变形行为控制。(3)近红外响应性的形状记忆水凝胶及其可控变形:采用自由基胶束聚合的方法在制备HPAAm-A11AUA HA凝胶的基础上,在凝胶网络中引入氧化石墨烯(GO),制备了具有近红外响应性的纳米复合HPAAm-A11AUA/GO HA凝胶。通过用远程近红外光定点辐射该凝胶表面,实现了对该凝胶复杂3D变形的精确可控性。实验结果表明,该水凝胶对近红外光具有很好的响应行为并能够同时记忆多次形变过程近而产生连续的变形。而且,我们很好地实现了由点对面的小范围的精确变形控制。
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