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第 3 期 雒春辉，等: 金属离子及羧基单体对 PAM 水凝胶性能的影响 ·423·

Key words: PAM hydrogels; carboxylic monomer; double network; multivalent cation; tensile strength;
functional materials
Foundation items: National Natural Science Foundation of China (21464001); Natural Science Foundation
of Ningxia Province (NZ17099); Specialized Research Fund for Outstanding Young Teachers in Ningxia
Higher Education Institutions (NGY2018-165); Ningxia Low-Grade Resource High Value Utilization and
Environmental Chemical Integration Technology Innovation Team Project

水凝胶是一种兼具固体和液体优点的三维网络 响水凝胶的有效交联密度（ ）和有效交联点之间
0
材料，在组织工程、药物释放以及污水处理和传感 的相对分子质量（M c ），进而影响水凝胶的性质 [14-15] 。
器等领域有着广泛的应用 [1-4] 。然而,传统水凝胶由于 然而现有的报道多侧重于机械性能研究 [8-9] ，机理研
不均匀的化学交联导致其力学性能欠佳。为解决该 究和理论分析还不够深入。
问题，研究者进行了大量工作。其中，双网络水凝 鉴于此，本文以丙烯酰胺（AM）和含羧基单体
胶（DN）提高力学性能的效果最为显著 [5-10] 。例如， 为原料，采用化学交联与物理交联相结合的方法制
[5]
Gong 等发现化学交联的（聚丙烯酰胺基-2-甲基 备了双网络水凝胶，从离子键能、微观结构以及理
丙磺酸/聚丙烯酰胺）DN 水凝胶抗拉强度是两种前 论计算方面系统地考察了金属离子与羧基单体种类
驱体单网络水凝胶的数十倍。然而，化学交联的不 及含量对水凝胶强度的影响。
可逆性导致材料在二次拉伸时性能严重劣化，因而
不具备自愈合特点。氢键、离子键以及配位键等非 1 实验部分
共价键具有动态可逆的特点，可以弥补这一缺陷。 1.1 试剂
2+
[7]
例如，Sun 等利用 Ca 交联海藻酸形成了一种对缺 AM、丙烯酸（AAc）、马来酸（MA）、衣康酸
口不敏感的 DN 水凝胶，其抗拉强度低于 0.2 MPa， （IA）、过硫酸钾（KPS）、N,N-亚甲基双丙烯酰胺
[9]
但断裂伸长率高达 2000%；Wei 等以丙烯酸和 Fe 3+ （MBAA）、六水合三氯化铁、四水合氯化亚铁、四
为原料制备了具有自愈合特点的水凝胶。 水合氯化钙、五水合硫酸铜均为 AR，0.2 mol/L 标
水凝胶的力学性质主要取决于骨架聚合物链与 准 NaOH 溶液，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
交联点的性质。以离子键交联的 DN 水凝胶为例 [7-9] ， 其他试剂如未做特殊说明，均为 AR，购自上海阿拉
[8]
其性能不仅取决于金属离子的种类和浓度 ，还与 丁生化科技股份有限公司。
[9]
羧基单体的种类、共聚活性以及配位能力有关 。 1.2 制备
羧基单体与丙烯酰胺的聚合活性不同 [11] ，羧基与金 水凝胶的合成示意图如图 1 所示。取一定量水
属离子的配位形式也存在差异 [12-13] ，这种竞争会影 溶性单体 AM（2.1324 g，3.0 mol/L）、羧酸单体 AAc

图 1 双网络水凝胶的合成示意图
Fig. 1 Synthesis mechanism of double network hydrogels