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摘 要

水凝胶中含有许多的水份，且聚合物分子链呈交联网状结构，被大量应用于生物和医学等方面。目前，水凝胶的增韧机理是在能量耗散的基础上提出来的，通过物理混合形成非共价键交联来得到高强韧性能的水凝胶，可以达到与化学交联相同的效果。聚乙烯醇（PVA）水凝胶，因其良好的相容性，无毒，环保被大量地开发应用于生物医学。有研究学者发现，通过对聚乙烯醇进行循环冻融的方法，可以使其分子链间形成氢键，使聚乙烯醇水凝胶变成由氢键作为交联点的结晶结构。然而，此法生成的水凝胶较为脆弱，限制了它的用途，所以，如何提高它的力学性能，让它可以应用于多种场合是当今研究的重点。本次实验通过引入物理交联中的氢键的方式，来达到增强其强韧性的目的，通过探讨，我们引入纳米填料氧化石墨烯（GO）和小分子溶剂丙三醇制备出基于氢键交联的多功能性、高强韧的水凝胶，并且我们发现随着GO含量的增加，以及醇水比的增大，水凝胶的强韧性也得到提高。

关键字：水凝胶 物理交联 氢键 冻融 PVA 氧化石墨烯

Preparation and Properties of High Strength PVA/ Graphene Oxide Nanocomposite Hydrogels

Abstract

Hydrogels contain a lot of water, and the molecular chains of the polymers are presented in a network structure. They are widely used in biology and medicine. At present, the toughening mechanism of hydrogels is proposed on the basis of energy dissipation. By forming a non-covalent crosslink through physical mixing to obtain a hydrogel with high strength and toughness, it can achieve the same effect as chemical cross-linking. . Polyvinyl alcohol (PVA) hydrogels have been extensively developed for biomedical applications due to their good compatibility, non-toxicity, and environmental protection. Some researchers have found that by circling the freeze-thaw method of polyvinyl alcohol, hydrogen bonds can be formed between the molecular chains, and the polyvinyl alcohol hydrogel can be changed into a crystalline structure with hydrogen bonds as cross-linking points. However, the hydrogel produced by this method is relatively fragile, which limits it’s use. Therefore, how to improve it’s mechanical properties and allow it to be applied in many occasions is the focus of current research. The purpose of this experiment was to increase the strength and toughness by introducing hydrogen bonding in physical cross-linking. Through the discussion, we introduced nano-filled graphene oxide (GO) and small-molecule solvent glycerol to prepare hydrogen-based bonds. The combination of versatility, high strength and toughness of the hydrogel, and we found that with the increase in the content of GO, and the increase in the ratio of alcohol to water, the toughness of the hydrogel is also improved.

Key words: Hydrogel Physical cross-linking Hydrogen bonding Freeze-thaw PVA Graphene oxide

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 水凝胶概况 1

1.2 聚乙烯醇（PVA）水凝胶概述 1

1.3 氧化石墨烯（GO）水凝胶概述 2

1.4 高强度复合水凝胶概述 3

1.5 研究内容 4

第二章 PVA/GO/丙三醇复合凝胶的制备 5

2.1 实验过程 5

2.1.1 实验设备 5

2.1.2 实验试剂 5

2.1.3制备氧化石墨烯的化学试剂 6

2.2制备过程 6

2.2.1 氧化石墨烯的制备 6

2.2.2 PVA/丙三醇/GO复合水凝胶配比 7

2.2.3 实验过程 8

2.3 水凝胶的性能表征 9

2.3.1 压缩性能表征 9

第三章 结果与讨论 10

3.1 水凝胶的压缩性能 10

3.2 水凝胶的拉伸性能 14

3.3 水凝胶的自修复性能 15

第四章 实验结论 17

参考文献 18

致谢 22

第一章 绪论

1.1 水凝胶概况

水凝胶是一种可溶于水，并且含有大量水的高分子材料，它可以通过物理形式的交联，或化学反应进行交联，形成三维网络结构^[1]。其网络中含有大量的亲水基团，所以它的吸水能力很强，可吸水溶胀^[2-3]，吸水后不会溶解，并且形状不会产生很大的变化，具有一定的弹性、强度等，是一种特殊的半固体材料^[4]。在施加外力的情况下，凝胶会发生形变，撤去外力后形态可以恢复。由于其特殊的性能，可广泛应用在生物、医药^[5]、药物释放^[6-7]、日常用品、化工及环境^[8]保护等方面。此外，水凝胶具有良好的生物相容性^[9]，并且与生物体内的许多组织，如皮肤、软骨、肌肉等有相似结构，在结构和组成上可以更接近于活体组织，有望成为人造器官方面的替代性材料^[10-11]。

传统的高分子水凝胶的力学性能、溶胀能力以及环境响应性等都有所不足，所以只是一味地提高交联度反而达不到我们理想的程度，这样不但会使凝胶的弹性下降，脆性上升，而且凝胶力学强度提升的程度也有限，不足以满足我们的需求。如何均衡地从分子内部层面提升水凝胶的各方面的性能，一直是近年来的研究热点^[12]。

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