海藻酸钠/聚丙烯酰胺复合水凝胶的壳聚糖增韧

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.007

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (1): 42-48.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.007

海藻酸钠/聚丙烯酰胺复合水凝胶的壳聚糖增韧

曾媛¹(), 李亮¹^,²^,³, 刘威¹, 马晶晶¹, 刘让同¹^,²^,³()

^1.中原工学院，郑州 451191
^2.先进纺织装备技术省部共建协同创新中心，郑州 451191
^3.郑州市阻燃隔热耐火功能性服装及材料重点实验室，郑州 451191

收稿日期:2023-08-01 出版日期:2024-01-26 发布日期:2024-01-22
通讯作者: 刘让同（1966-），男，教授，博士，主要研究方向为特种防护服装与功能性面料， ranton@126.com
E-mail:yuanzeng0806@163.com;ranton@126.com
作者简介:曾媛（2000-），女，硕士在读,主要研究方向为柔性可穿戴智能纺织品， yuanzeng0806@163.com
基金资助:
国家重点研发计划项目(2017YFB0309100)

Sodium alginate/polyacrylamide composite hydrogel toughened with chitosan

ZENG Yuan¹(), LI Liang¹^,²^,³, LIU Wei¹, MA Jingjing¹, LIU Rangtong¹^,²^,³()

^1.Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 451191，China
^2.Collaborative Innovation Center of Advanced Textile Equipment，Zhengzhou 451191，China
^3.Zhengzhou Key Laboratory of Functional Clothing and Materials for Flame Retardant，Heat Insulating and Fire Resistant，Zhengzhou 451191，China.

Received:2023-08-01 Online:2024-01-26 Published:2024-01-22
Contact: LIU Rangtong E-mail:yuanzeng0806@163.com;ranton@126.com

摘要/Abstract

摘要：

以天然多糖海藻酸钠（SA）、丙烯酰胺（AM）单体为基础原料构筑双网络水凝胶，引入不同含量的壳聚糖（CS），增强水凝胶的力学韧性。通过扫描电子显微镜、红外光谱、X射线衍射仪及热失重分析仪等表征水凝胶的形貌特征、网络交联结构及热学性能，分析SA/聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶的交联机理。结果表明，水凝胶的韧性随CS含量的增加而增加，CS低含量时韧性增加由伸长能力增加引起，而高添加时则因强度伸长同步增加引起，添加10 %CS的水凝胶其韧性值达到2.50×10⁵ kJ/m³，明显高于添加5 %和7.5 % CS的水凝胶；对水凝胶定伸长循环拉伸，其弹性回复率随所定伸长率的增加而有所降低，在25 %定伸长时均高于98 %，而在200 %时只高于90 %，其中添加10 %CS的水凝胶弹性最佳，且有较强的断裂应力（0.249 MPa）和断裂伸长率（1 635.65 %），在200 %及以内定伸长循环拉伸时具有优异的回复能力。

关键词: 海藻酸钠, 聚丙烯酰胺, 双网络水凝胶, 壳聚糖, 力学性能

Abstract:

A double network hydrogel was constructed by using natural polysaccharide sodium alginate and acrylamide as monomers， and chitosan was introduced to enhance the mechanical toughness of the hydrogel. The morphology， network crosslinking structure， and thermal properties of the as⁃prepared hydrogel were characterized by using scanning electron microscopy， infrared spectroscopy， X⁃ray diffraction， and synchronous thermal analysis， and its crosslinking mechanism was analyzed. The results indicated that the toughness of the hydrogel was improved with an increase in the chitosan content. The increase of toughness at a low chitosan content was caused by the increase of elongation ability， whereas its increase at a high chitosan content it was caused by the simultaneous increase of strength and elongation. The toughness value of the hydrogel with 10 wt% chitosan reached 2.50×10⁵ kJ/m³， which was significantly higher than the hydrogel containing 5 and 7.5 wt% chitosan. The elastic recovery rate of the hydrogel decreased with an increase in the set elongation rate during the constant elongation cycle stretching， and it was higher than 98 % at set elongation of 25 %， but only higher than 90 % at set elongation of 200 %. The hydrogel with 10 % chitosan exhibited the best elasticity with a strong fracture stress of 0.249 MPa and fracture elongation of 1 635.65 %， and it presented an excellent recovery ability at a constant elongation cycle of 200 % or less. This study can provide a solution for the toughening of hydrogels.

Key words: sodium alginate, polyacrylamide, double?network hydrogel, chitosan, mechanical property

中图分类号:

TQ323.6

曾媛, 李亮, 刘威, 马晶晶, 刘让同. 海藻酸钠/聚丙烯酰胺复合水凝胶的壳聚糖增韧[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 42-48.

ZENG Yuan, LI Liang, LIU Wei, MA Jingjing, LIU Rangtong. Sodium alginate/polyacrylamide composite hydrogel toughened with chitosan[J]. China Plastics, 2024, 38(1): 42-48.

图/表 11

图1 SA/PAM水凝胶体系的SEM照片及孔隙直径分布图

Fig.1 SEM and pore diameter distribution of SA/PAM hydrogel system

图2 SA/PAM水凝胶体系的FTIR谱图

Fig.2 FTIR of SA/PAM hydrogel system

图3 水凝胶的XRD曲线

Fig.3 XRD curves of the hydrogel

样品

SA/PAM

SA/PAM/

CS（5）

SA/PAM/

CS（7.5）

SA/PAM/

CS（10）

表1 SA/PAM水凝胶的结晶度

Tab.1 XRD crystallinity of SA/PAM hydrogel system

图4 SA/PAM水凝胶的TG和DTG曲线

Fig.4 TG and DTG curves of the hydrogel

样品	T_d/℃	T¹_max/ ℃	T²_max/ ℃	800 ℃ 残炭率/%
SA/PAM	211.26	252.70	326.17	9.14
SA/PAM/CS（5）	210.86	250.88	331.89	15.86
SA/PAM/CS（7.5）	213.03	253.52	335.96	14.80
SA/PAM/CS（10）	215.76	255.09	333.48	21.63

表2 SA/PAM水凝胶的热分解数据

Tab.2 Thermal decomposition data of SA/PAM hydrogel system

图5 SA/PAM水凝胶体系的应力⁃应变曲线

Fig.5 Stress strain curve of SA/PAM hydrogel system

样品	弹性模量/kPa	最大应力/MPa	最大应变/%	断裂功/ ×10⁵ kJ·m^-3
SA/PAM	0.4501	0.167	824.15	1.03
SA/PAM/CS（5）	0.2164	0.168	1 528.47	1.28
SA/PAM/CS（7.5）	0.2521	0.169	1 580.75	1.32
SA/PAM/CS（10）	0.4991	0.249	1 635.65	2.50

表3 PAM/SA水凝胶体系的力学性能数据

Tab.3 Mechanical properties of PAM/SA hydrogel system

图6 SA/PAM水凝胶体系不同定伸长条件下的弹性回复率

Fig.6 Elastic recovery rate of SA/PAM hydrogel system under different constant elongation conditions

图7 SA/PAM/CS（10）水凝胶定伸长率循环拉伸圈

Fig.7 SA/PAM/CS （10） hydrogel constant elongation cycle tension ring

样品	循环序	定伸长量
样品	循环序	20 %	50 %	100 %	150 %	200 %
SA/PAM	第1次	96.63	95.35	92.46	90.31	90.19
SA/PAM	第15次	90.64	92.59	90.87	88.84	87.45
SA/PAM /CS（5）	第1次	95.75	94.54	94.12	93.06	91.24
SA/PAM /CS（5）	第15次	92.62	92.45	91.90	89.10	88.89
SA/PAM /CS（7.5）	第1次	98.54	95.31	93.07	93.57	91.20
SA/PAM /CS（7.5）	第15次	93.41	92.60	91.77	90.78	89.19
SA/PAM /CS（10）	第1次	99.42	95.62	94.50	93.96	93.67
SA/PAM /CS（10）	第15次	97.47	94.26	92.94	91.87	91.38

表4 SA/PAM水凝胶体系的弹性表征

Tab.4 Elastic characterization of SA/PAM hydrogel system

参考文献 17

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