Page 80 - 201903

·426· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 36 卷

2+
2+
3+
Fe 以及 Cu 浸泡之后水凝胶的形貌，与单网络水 （1）和（2）计算可知，当 Fe 浓度为 0 时，水凝
3
凝胶相比，微孔分布更均匀和致密，尺寸在 1.0~ 胶的 仅为 0.68 mol/m ，M c 等于 2053347 g/mol；当
0
3+
5.0 m，因此力学性能得以提高 [17] 。而图 3e 和 f 是 Fe 浓度由 0.04 增加至 0.20 mol/L 时， 由 357 mol/m 3
0
3+
经过 Fe 浸泡之后的水凝胶 SEM 图，可以看出微孔 增加 至 1189 mol/m ， M c 由 4048 g/mol 降低 至
3
尺寸在 0.1~0.3 m，网络致密性和均匀性进一步提 1125 g/mol；继续增加浓度， 和 M c 基本不变。
0
3+
升。结合 FTIR、TG 以及 SEM 分析可知，Fe 和— 接着，固定 Fe 为 0.20 mol/L，考察了浸泡时
3+

COO 形成的三齿配位最稳定，水凝胶网络均匀性和 间对水凝胶拉伸性能的影响，浸泡时间分别为 4、8、
致密性更高，因此力学性能最为优异 [17] 。 12、16 以及 20 h，结果如图 5 所示。可以看出，浸
2.3 离子浓度和浸泡时间对拉伸性能的影响 泡 4 h 后水凝胶强度已经由 3.3 kPa 增加至 2.7 MPa；
–
3+
受浓度和时间的影响，Fe 与—COO 间的离子 在 4~16 h 内，水凝胶拉伸强度随浸泡时间的延长而
3+
[9]
键具有动态可逆特点 。首先考察了 Fe 浓度对水凝 增加，在 16 h 时达到最大 6.1 MPa；继续延长浸泡
3+
胶拉伸性能的影响。固定浸泡时间为 16 h，将 Fe 浓 时间拉伸强度基本不变，但伸长率降低。由公式（1）
3+
度由 0 增加至 0.24 mol/L，结果如图 4A 所示。借助橡 和（ 2 ）计 算可 知， D-PAM-PAAc-Fe 水凝 胶在
3+
胶弹性理论 [14] 计算了水凝胶的有效交联密度（ ）和 0.20 mol/L 的 Fe 溶液中分别浸泡 4、8、12 以及 16 h
0
交联点之间的相对分子质量（M c ），实验结果如图 后，对应的 增加至 475.25、860.52、1052.00 以及
0
3
4B 所示。可以看出，在浓度为 0~0.2 mol/L 内，水 1189.04 mol/m ；而 M c 分别降低至 3008、1830、1461
3+
凝胶拉伸强度随 Fe 浓度增加而近似线性增加，而 以及 1125 g/mol；继续延长浸泡时间至 20 h， 与
0
当浓度超过 0.2 mol/L 后拉伸强度趋于稳定。由公式 M c 变化较小。

3+
图 4 Fe 离子浓度对水凝胶拉伸强度（A）以及  0 和 M c （B）的影响
3+
Fig. 4 Effect of Fe concentration on the tensile strength (A) as well as  0 and M c (B) of hydrogels

图 5 浸泡时间对水凝胶拉伸强度（A）以及 v 0 和 M c （B）的影响
Fig. 5 Effect of soaking time on the tensile strength (A) as well as v 0 and M c (B) of hydrogels

v 0 以及 M c 可反映水凝胶的结构参数 [14-15] ，如果 的交联网络趋于完善，因此 v 0 增加，M c 降低，拉伸
3+
v 0 增加，M c 降低，则断裂应力上升，断裂伸长率下 强度增加；继续增加 Fe 的浓度或延长浸泡时间，
3+
–
3+
降，宏观上表现为水凝胶机械强度增加 [14] 。由于 DN 能够与 Fe 交联的—COO 达到饱和。当 Fe 与—

–
水凝胶中—COO 的物质的量是一定的，随着 Fe 3+ COO 的物质的量比为 8∶1 时，拉伸强度达到最大

–
3+
3+
3+
浓度的增加或浸泡时间的延长，—COO 与 Fe 形成 值。而 Fe 的浓度过高时，Fe 与—COO 的交联速