羧甲基纤维素钠基水凝胶的制备及性能研究

羧甲基纤维素钠基水凝胶的制备及性能研究

余宇佳 

重庆科技学院

1.1 水凝胶

1.1.1 水凝胶的简介

水凝胶（Hydrogel）是能大量吸收溶剂且具有一定溶胀性能的三维网络结构的凝胶。水凝胶主要是由生物聚合物或聚电解质形成的结构，含有大量的滞留水，溶胀之后依然能够保持其原有的结构而不发生溶解。水凝胶主要是以高分子为主体的网络体系，柔韧性很好，具有一定的形变恢复能力，不仅吸水能力强可以吸收大量的水分，而且也具有保持网格体系中水分不流失的能力。束缚在凝胶网络中的水分，仍然可以自由活动。水凝胶的这种结构与生物体的结构很相似，因此水凝胶在生物体中也有良好的相容性，同时水凝胶还有对外界环境中的刺激（如环境中的温度、溶液中的pH等）产生响应的特性，许多行业都曾开发过水凝胶来满足自身的需求，如工业、农业、医学等领域。水凝胶凭借其优异的性能为其在各行各业的应用开辟了广阔的道路，与其相关的研究和开发以及销售都有长足的发展。研究出性能更加优良，应用更加广泛的水凝胶材料日益成为人们关注的重点，其中对环境敏感型、超强吸水吸液速率型、耐盐型和高强度型水凝胶材料的研发得到人们的广泛关注。

1.1.2 水凝胶的分类

水凝胶根据所用合成材料的不同，可分为合成材料水凝胶和天然材料水凝胶。天然材料是指存在于自然界自然形成的高分子物质，如纤维素、壳聚糖、淀粉、海藻酸等。合成材料是通过化学反应合成出来的人工高分子物质如聚乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚丙烯氰等。

通过形成水凝胶交联方法的不同，可以将水凝胶分为了物理水凝胶和化学水凝胶。物理凝胶是通过分子间的作用力，如静电作用力、离子键、氢键或者和链缠绕等方式构成三维空间结构的凝胶。这类凝胶被称为假凝胶或热可逆凝胶，非永久性的。加热可以使其水凝胶形态转换为溶液。而化学交联是使用交联剂、引发剂，通过形成共价键的方式来构建凝胶的网格体系。

根据对外界反应程度，将水凝胶分为常态水凝胶和敏感型水凝胶。常态水凝胶指的就是在外界环境的刺激下没有响应，不会改变本身的空间网状结构和理化性能。敏感型则是指水凝胶当面对外界的刺激如：温度的升高或降低、光的强度变化、电流或电压的大小、压力的大小变化等水凝胶的形状，性能随之改变。

1.1.3 水凝胶的制备方法

水凝胶是一种具有三维网络空间结构的极为亲水的高聚合物，其网络构架往往是在化学键、氢键、范德华力或物理缠结的作用下交联形成的。羧甲基纤维素钠水凝胶是以羧甲基纤维素钠（CMC）为主体，形成的一种或多种的类型的网格体系。形成羧甲基纤维素钠水凝胶常见的方法是物理交联或化学交联。

化学交联是指通过使用交联剂，与高分子化合物形成共价键此来形成的网架结构，并以此搭建起一个三维网状空间结构，这类凝胶加热不会溶解或者熔融，是永久性的，发生的是不可逆的反应。

物理交联的作用机理与化学交联的作用机理不同点是，物理交联是通过物理作用，如氢键、离子作用、范德华力、结晶作用等作用力，来连接高分子聚合物形成空间网状结构。但此类凝胶在高温下会失去凝胶形态，是一种假凝胶，也叫可逆凝胶，相对与化学交联所的水凝胶稳定性较差。但物理交联制备的凝胶材料也有很多优点，如不需添加交联剂，因此它的生物相容性更佳，低毒甚至无毒，同时易降解等优点。这类凝胶材料更适合用作与人体有亲密接触的医用材料。

1.1.4水凝胶的应用

纤维素水凝胶具有很好的生物相容性，可以参加人体的新陈代谢，对人体无明显的刺激性，无副反应。但现在在医用上使用最多的医用敷料主要还是传统的天然纱布，其次是生物敷料、合成纤维类敷料和水胶体类敷料等。生物敷料指的是一些人体皮肤或者动物的皮肤等，水凝胶敷料则是新开发的医用材料，其主要成分是一种高含水量的亲水性非常强的聚合物。水凝胶敷料具有很多的优点，如下：①具有极好的吸水保水性能，在持续营造创面湿润环境的同时还提供了创面愈合环境，加快创面愈合的速度；②有良好的生物相容性，柔软的性质不会粘在伤口上，保护暴露在外的神经末梢不受影响，同时更换敷料时不会造成伤口的二次损伤；③有良好的抗菌作用，敷料在与创面渗出液接触后，可以吸收渗出物，并形成一种凝胶，可以降低或者防止伤口感染；④水凝胶的材料一般毒性极低，对人体伤害小；⑤在水凝胶敷料的制备过程中，可以加入一定的药物，在敷料使用时，药物可以缓释作用于创口，可以起到缓解疼痛或者一定程度的治疗作用；⑥水凝胶在包裹药瓶进入人体后，能够维持凝胶体系中的药品浓度，并且可以吸引一定量的代谢产物，通过将水凝胶去除以此带走代谢产物。这些优异的性能都是的水凝胶医用敷料的应用前景广阔。

水凝胶材料性能极佳，可应用于水处理、防水材料、空气净化等工业领域。纤维素水凝胶网络内部的特殊官能团与重金属离子发生络合作用，可用作吸附剂来处理污水。

水凝胶具有很好的膨胀性能和机械强度，以及吸水能力强和化学稳定性等优点可以将水凝胶材料作为高吸水型材料。水凝胶吸水能力强的特点在农业中运用广泛，水凝胶能很好的保留住内部的水分，在埋入土壤中能维持土壤的水分，减少水分的流失，为植被提供一个水分充足的环境进行生长。在建筑方面，水凝胶也可以发挥止水隔水的作用。

2 羧甲基纤维素水凝胶的制备

首先，将0.2 g硫酸铝加入有25 mL水的烧杯中，称取1 g羧甲基纤维素钠和0.2 g羟乙基纤维素，先将0.2 g的羟乙基纤维素加入溶液中，搅拌5 min。随后将羧甲基纤维素将缓慢加入硫酸铝溶液中，快速搅拌5 min使其全部溶解，搅拌完后得到无色无味，均匀分布气泡的水凝胶。将水凝胶放入摸具中静置5 min，放入60℃的烘箱烘干8 h即可。

3 硫酸铝浓度对性能的影响

分别称取1.5g、1.6g、1.7g、1.8g、1.9g硫酸铝溶于25 mL的蒸馏水中，控制其他因素不变进行实验，观察硫酸铝的浓度对于水凝胶拉伸强度的影响。结果见表3.1。

表3.1 不同浓度的硫酸铝下水凝胶拉伸强度

在表2.1中可以看出水凝胶的强度在一定范围下随硫酸铝的浓度增大而增大，在硫酸铝的浓度达到6.8 wt%时，水凝胶达到0.37 MPa的抗拉强度。而硫酸铝浓度超过6.8 wt%后，水凝胶的强度开始逐步减弱，水凝胶也开始容易断裂，整体的拉伸强度呈现一个先上升后下降的趋势。硫酸铝作为交联剂，通过离子交联构建三维网架结构从而形成水凝胶。在硫酸铝的浓度不断增大，构建的网格体系也越多使水凝胶的体系不断稳定。但水凝胶体系中不只包含着离子键，还有纤维素于溶液形成的氢键。当硫酸铝浓度超过6.8wt%后，会开始抢夺于水形成氢键的羧基，构建新的网架，从而降低了纤维素在溶液中的溶解，使体系变的不稳定，水凝胶的抗拉强度也随之减小。