物理化学法制备CNC/PVA复合水凝胶及性能研究开题报告

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1. 研究目的与意义

聚乙烯醇(PVA)是聚醋酸乙烯酯经水解而得的聚合物，无毒，其分子链上含有大量羟基，分子链间形成氢键，因此具有良好的水溶性、成膜性、黏接性，特别具有低毒性以及较高的生物相容性等优点，同时拟通过纳米纤维对其增强，改善聚乙烯醇（PVA）的物理性能，改善了以往水凝胶的抗冲击性以及弹性差得缺点，同时因为纳米粒子比表面积大的优点使其保水性有所提高。

采用物理化学两种交联方法制备，并研究其相关性能，为复合水凝胶更广泛的应用提供一些参考。

2. 国内外研究现状分析

Leitner 等用碱润胀和漂白后的甜菜片纤维素经过碎解机和高压匀质机将纤维分散成纳米纤维素。将此纤维加入到聚乙烯醇和酚醛树脂基体中，其性质显著提高，且酚醛树脂的力学性质提高近 10%，拉伸强度达到 127MPa，弹性模量高达 9.5GPa,破坏延伸率为 2.9%。Wagberg 等将硫酸盐针叶浆首先经过羧甲基化处理，然后将纤维经过高压的匀质化处理，并将纤维经过超声分散和离心分级，制备出直径为 5-15nm，长度约为 1μm 的纳米纤维素。Paakko 等介绍了一种新的制备纳米纤维的方法，采用温和的酶水解法处理纤维素，然后通过机械剪切力和高压的匀质作用制备出纳米尺寸大小的纤维素。Iwamoto等以美国黑松制备的硫酸盐浆为原料，用一个高压的精磨机，在 0.1mm 的间隙下循环匀质 30 次，然后将此浆料通过一个研磨机磨解 10 次制备出了具有纳米尺寸的纤维素，由于其特定的结晶性质，在加入此纤维后，明显改善了树脂基体的热膨胀性。 Rodriguez等将天然剑麻纤维切碎成细小颗粒，将颗粒用 2% 的 NaOH 水溶液和漂白处理后的粉末加入 65% H2SO4，水解浓度为 4%，60℃下反应 15min，并不断搅拌，离心、用透析法除去游离酸，并将制备的悬浮液在超声作用下完全分散，最终制得的 CNCs 的得率约为 30%,纤维的平均长度和直径分别为 250nm 和4 nm，具有较高的比表面积。刘宁将PVA 和N-异丙基丙烯酸酯的二甲基亚砜溶液混和,在氮气保护下, 用60Co-γ射线引发光接枝反应，可以制备热敏性水凝胶。而将 PVA 水溶液和聚乙烯吡咯烷酮( PVP) 水溶液均匀混合物, 用 X 射线照射得到二者的共聚物,可以制备 PVA-PVP 复合水凝胶。该复合水凝胶柔软而有弹性,力学性能好,透明而且抗菌性能优良。白渝平等将PVA 水溶液同欲复合组分的单体溶液混合,引发单体聚合后制备得到的 PVA/PAA 互穿网络结构复合水凝胶, 具有强度高、亲水性好、抗凝血、易成型及对药物的控释性, 是一种性能良好的药物缓释载体材料。柳明珠等认为，在冷冻情况下形成的交联点在一定条件下是稳定的，它的解体需要吸收较大的能量，因而在解冻时该结构能得以保持。Masaki O. 等认为，在冷冻-解冻过程中，随着体系中 PVA 浓度的改变，分子间也随之波动，从而形成了微晶结构。这种更加稳定的微晶组成了交联点进而形成了三维的凝胶。总之，冷冻-解冻过程会导致 PVA 分子内形成微晶，而这些高分子微晶组成了多孔凝胶的交联点。这些微晶是一些小的有序区域，为结晶过程的晶核，但是无法进一步长大。形成的 PVA 物理凝胶具有较好的强度主要是取决于 PVA本身较好的结晶性。Nambu 的冷冻-解冻技术主要是：先把 PVA 水溶液置于－3℃的条件下一定时间，然后取出置于真空状态下。通过研究表明，增加凝胶所含水的蒸发时间，可以提高凝胶的强度。Yokoyama 等采用 Nambu 的方法制备了 PVA 水凝胶，对凝胶的结构进行了表征。研究表明，利用这种方法制成的水凝胶包括水相、PVA 无定形态及结晶态三部分。Zhao等利用戊二醛对不同浓度的PVA水溶液进行交联。实验结果表明，随着PVA水溶液的浓度的增加，分子内环化的程度和[-CHO]/[-OH]的比例也随之增加。因此，可以通过控制PVA溶液的浓度来控制凝胶的生长。Varshosaz,Jaleh等研究了戊二醛浓度，茶碱的含量和PVA的含量对于形成凝胶的溶胀性能及药物包埋率及释放率的影响。江波等利用环氧氯丙烷作交联剂，在氢氧化钾溶液中与聚乙烯醇分子反应，制得了吸水量很高、机械强度很好的PVA水凝胶。LiW.B.等利用DSC研究了环氧氯丙烷作交联剂形成的PVA水凝胶中水的状态。实验表明，当水加入到PVA干凝胶中时先跟亲水基团结合形成非自由水，非自由水与凝胶的比例可达20％。二价金属离子如Ti2＋、Zn2＋、Cu2＋和Co2＋等与PVA水溶液络合，通过配位可形成化学交联的PVA水凝胶。而一价的金属离子如Na＋、Ti＋和Li＋等加入PVA溶液中后，不能形成稳定的水凝胶，因为这些金属离子是PVA的沉淀剂。Mg2＋和Ca2＋既不能与PVA形成配位键，也不是沉淀剂，由于其与水之间有较强的分子间作用力，添加这类金属离子可以制备具有较高粘稠性和保水性的PVA凝胶。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容： （一）选取竹粉为原料，筛选干燥，采用酸碱交替处理法，制备出生物质纳米纤维素。

（二）采用化学交联（戊二醛）-物理交联（冻融法）复合交联法制备聚乙烯醇水凝胶，再将两者复合得到纳米纤维素聚乙烯醇复合水凝胶。

（三）性能表征：力学性能。

4. 研究创新点

合理利用竹粉，通过苯醇抽提、亚氯酸钠、氢氧化钠、盐酸等酸碱处理得出纯化的纤维素再经过研磨处理制备成纳米纤维素。

针对传统聚乙烯醇水凝胶的缺点加入纳米纤维素，并且加入化学试剂戊二醛，再经过物理法（冻融法）处理。

此类复合水凝胶在国内几乎没有，国外也很少见。