強韌型功能凝膠：制備工藝、表征技術(shù)與應(yīng)用前景的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)不斷演進的歷程中，強韌型功能凝膠作為一類極具特色與潛力的材料，正逐漸嶄露頭角，吸引著眾多科研工作者的目光，成為材料領(lǐng)域研究的熱點之一。凝膠，作為一種特殊的軟物質(zhì)材料，通常由高分子網(wǎng)絡(luò)和大量溶劑（如水或有機溶劑）組成，具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠在溶脹狀態(tài)下保持一定的形狀和穩(wěn)定性。它既具有液體的流動性，又展現(xiàn)出固體的力學(xué)性能，這種獨特的性質(zhì)賦予了凝膠在眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的可能性。傳統(tǒng)的凝膠材料雖然在某些方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，如良好的生物相容性、高含水量等，但普遍存在力學(xué)性能較弱的問題，這嚴(yán)重限制了它們在實際應(yīng)用中的范圍和效果。例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于組織工程的凝膠支架需要具備足夠的強度和韌性，以承受體內(nèi)復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，為細(xì)胞的生長和組織的修復(fù)提供穩(wěn)定的支撐。若凝膠力學(xué)性能不足，可能在植入體內(nèi)后短時間內(nèi)就發(fā)生變形、破裂，無法滿足組織修復(fù)的長期需求，導(dǎo)致治療效果不佳。在藥物輸送系統(tǒng)中，凝膠作為藥物載體，需要在體內(nèi)循環(huán)過程中保持完整，確保藥物能夠按照預(yù)定的方式和速度釋放。若凝膠的強度不夠，可能在到達作用部位之前就發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，使藥物提前釋放，不僅降低了藥物的療效，還可能引發(fā)不良反應(yīng)。而強韌型功能凝膠的出現(xiàn)，為解決這些問題帶來了新的契機。相較于普通凝膠，強韌型功能凝膠具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能，能夠承受更大的外力作用而不發(fā)生破裂或永久性變形。其高韌性使其在受到拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)刺激時，能夠通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整和能量的耗散來抵抗外力，保持自身結(jié)構(gòu)的完整性。這種特性使得強韌型功能凝膠在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，具有極高的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，強韌型功能凝膠的應(yīng)用為疾病的治療和組織修復(fù)帶來了新的希望。作為組織工程支架，它能夠模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，為細(xì)胞的黏附、增殖和分化提供適宜的微環(huán)境。憑借其良好的力學(xué)性能，強韌型功能凝膠支架可以在體內(nèi)長期穩(wěn)定存在，有效地促進組織的再生和修復(fù)。例如，在軟骨組織工程中，強韌的凝膠支架能夠承受關(guān)節(jié)運動時產(chǎn)生的壓力和摩擦力，為軟骨細(xì)胞的生長提供穩(wěn)定的支撐，有望實現(xiàn)軟骨缺損的有效修復(fù)，緩解患者的疼痛，提高生活質(zhì)量。在藥物緩釋載體方面，強韌型功能凝膠能夠精確地控制藥物的釋放速率和釋放時間，實現(xiàn)藥物的長效、穩(wěn)定釋放。通過對凝膠結(jié)構(gòu)和組成的設(shè)計，可以使藥物在體內(nèi)特定的部位或按照預(yù)定的時間模式釋放，提高藥物的療效，減少藥物的副作用。此外，強韌型功能凝膠還可用于傷口敷料，它能夠緊密貼合傷口表面，保護傷口免受外界細(xì)菌的感染，同時提供濕潤的環(huán)境，促進傷口的愈合。其良好的柔韌性和強度能夠適應(yīng)傷口的各種形狀和活動，不會對傷口造成二次傷害。在電子領(lǐng)域，強韌型功能凝膠同樣具有重要的應(yīng)用價值。隨著柔性電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對柔性、可拉伸且具有良好電學(xué)性能材料的需求日益迫切。強韌型功能凝膠由于其獨特的力學(xué)性能和可調(diào)控的電學(xué)性質(zhì)，成為柔性電子器件的理想候選材料。例如，可用于制備柔性傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測人體的生理信號，如心率、血壓、體溫等，實現(xiàn)對人體健康狀況的連續(xù)監(jiān)測。其高韌性使得傳感器在佩戴過程中能夠適應(yīng)人體的各種運動，不易損壞，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在可穿戴設(shè)備中，強韌型功能凝膠可作為導(dǎo)電材料或封裝材料，賦予設(shè)備良好的柔韌性和耐用性，使其更加舒適、便捷地穿戴在人體上。此外，強韌型功能凝膠還可應(yīng)用于電子皮膚領(lǐng)域，模擬人類皮膚的觸覺感知功能，為機器人和人工智能的發(fā)展提供重要的支持。除了生物醫(yī)學(xué)和電子領(lǐng)域，強韌型功能凝膠在其他諸多領(lǐng)域也展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在食品工業(yè)中，可用于食品的保鮮、增稠和質(zhì)地改良等。其良好的生物相容性和穩(wěn)定性能夠確保在食品加工和儲存過程中發(fā)揮作用，同時不會對人體健康產(chǎn)生危害。在環(huán)境保護領(lǐng)域，強韌型功能凝膠可用于吸附和去除水中的污染物，如重金屬離子、有機污染物等，實現(xiàn)水資源的凈化和循環(huán)利用。在石油工業(yè)中，可作為鉆井液添加劑或堵水劑，提高石油開采的效率和安全性。在智能材料領(lǐng)域，強韌型功能凝膠可以與其他智能材料相結(jié)合，制備出具有自修復(fù)、形狀記憶、刺激響應(yīng)等多種功能的復(fù)合材料，滿足不同領(lǐng)域?qū)χ悄懿牧系男枨?。盡管強韌型功能凝膠在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，但目前其研究仍面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，如何進一步提高強韌型功能凝膠的力學(xué)性能，使其能夠滿足更為苛刻的應(yīng)用需求；如何在提高力學(xué)性能的同時，保持或增強其功能性，實現(xiàn)力學(xué)性能與功能特性的協(xié)同優(yōu)化；如何開發(fā)更加簡單、高效、綠色的制備方法，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等。這些問題的解決對于推動強韌型功能凝膠的實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要的意義。綜上所述，強韌型功能凝膠作為一種具有獨特性能和廣泛應(yīng)用前景的材料，在生物醫(yī)學(xué)、電子等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢和潛力。對其進行深入的研究和開發(fā)，不僅有助于解決傳統(tǒng)材料在實際應(yīng)用中面臨的問題，推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步，還能夠為新材料的設(shè)計和制備提供新的思路和方法，促進材料科學(xué)的發(fā)展。因此，開展強韌型功能凝膠的制備與表征研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。1.2強韌型功能凝膠的簡介強韌型功能凝膠是在傳統(tǒng)凝膠基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類高性能材料，它在具備凝膠材料固有特性的同時，通過對其化學(xué)組成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等進行精心設(shè)計與調(diào)控，使其力學(xué)性能得到顯著提升，并且擁有了獨特的功能性，從而能夠滿足更為復(fù)雜和嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。從結(jié)構(gòu)角度來看，強韌型功能凝膠通常具有更加致密、均勻且穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了凝膠出色的力學(xué)性能，使其在承受外力時能夠有效地分散應(yīng)力，避免因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的材料破壞。例如，在雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠體系中，由兩種不同交聯(lián)程度的聚合物網(wǎng)絡(luò)相互交織而成。其中，第一網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的交聯(lián)密度，為凝膠提供了基本的強度和剛性；第二網(wǎng)絡(luò)則具有較低的交聯(lián)密度和較高的柔韌性，能夠在凝膠受到外力拉伸時發(fā)生取向和變形，通過消耗能量來增強凝膠的韌性。這種獨特的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，使得雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的力學(xué)性能相較于單一網(wǎng)絡(luò)水凝膠有了質(zhì)的飛躍，其拉伸強度、斷裂伸長率和韌性等指標(biāo)都得到了顯著提高。與普通凝膠相比，強韌型功能凝膠在力學(xué)性能方面展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。普通凝膠由于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局限性，往往表現(xiàn)出較低的強度和韌性，在受到較小的外力作用時就容易發(fā)生破裂或變形。而強韌型功能凝膠能夠承受更大的拉伸、壓縮、彎曲等外力，具有更高的拉伸強度、壓縮強度和斷裂韌性。例如，一些通過納米復(fù)合技術(shù)制備的強韌型功能凝膠，在引入納米粒子后，納米粒子與聚合物網(wǎng)絡(luò)之間形成了強相互作用，如氫鍵、靜電相互作用等，這些作用不僅增強了網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度，還提供了額外的能量耗散機制，使得凝膠的力學(xué)性能得到了極大的提升。研究表明，某些納米復(fù)合強韌型功能凝膠的拉伸強度可以達到普通凝膠的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，能夠承受更大的拉力而不發(fā)生斷裂。除了力學(xué)性能的顯著提升，強韌型功能凝膠還具備豐富多樣的功能特性。這些功能特性使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用價值。例如，許多強韌型功能凝膠具有刺激響應(yīng)性，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境的變化，如溫度、pH值、電場、磁場、光照等刺激產(chǎn)生響應(yīng)，發(fā)生體積變化、形狀改變或物理化學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。這種刺激響應(yīng)性使得強韌型功能凝膠在智能材料、傳感器、藥物釋放系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。在藥物釋放領(lǐng)域，基于溫度響應(yīng)性的強韌型功能凝膠可以作為藥物載體，當(dāng)環(huán)境溫度達到特定值時，凝膠發(fā)生體積收縮或膨脹，從而實現(xiàn)藥物的可控釋放。在傳感器領(lǐng)域，對電場或磁場響應(yīng)的強韌型功能凝膠可用于制備新型的傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境中的電場或磁場變化，并將其轉(zhuǎn)化為可檢測的信號。此外，強韌型功能凝膠還可以具備自愈合、黏附、抗菌等特殊功能。自愈合功能使得凝膠在受到損傷后能夠自動修復(fù)，恢復(fù)其原有的力學(xué)性能和功能，這對于延長材料的使用壽命和提高其可靠性具有重要意義。黏附功能則使強韌型功能凝膠能夠牢固地附著在各種材料表面，在生物醫(yī)學(xué)、涂料等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。例如，在傷口敷料中，具有黏附功能的強韌型功能凝膠可以緊密貼合傷口，防止細(xì)菌感染，促進傷口愈合?？咕δ艿膹婍g型功能凝膠可用于醫(yī)療設(shè)備、食品包裝等領(lǐng)域，有效抑制細(xì)菌的生長和繁殖，保障人們的健康和安全。1.3研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢近年來，強韌型功能凝膠的研究取得了顯著進展，眾多科研工作者致力于開發(fā)新型的制備方法和探索其獨特的性能，使其在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在制備方法上，研究者們不斷創(chuàng)新，提出了多種有效的策略來提升凝膠的力學(xué)性能和功能特性。雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計是制備強韌型功能凝膠的一種重要策略。通過構(gòu)建兩種不同性質(zhì)的聚合物網(wǎng)絡(luò)相互交織的結(jié)構(gòu)，利用不同網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同作用來增強凝膠的力學(xué)性能。例如，在雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中，第一個網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的交聯(lián)密度，提供剛性和強度；第二個網(wǎng)絡(luò)則具有較低的交聯(lián)密度和較高的柔韌性，在受力時能夠發(fā)生取向和變形，耗散能量，從而提高凝膠的韌性。這種雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得水凝膠的力學(xué)性能得到了顯著提升，拉伸強度、斷裂伸長率和韌性等指標(biāo)都有了明顯改善。許多研究通過優(yōu)化雙網(wǎng)絡(luò)的組成和結(jié)構(gòu)，進一步提高了凝膠的性能。如采用不同的聚合物種類、調(diào)整交聯(lián)劑的用量和交聯(lián)方式等，實現(xiàn)了對雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠力學(xué)性能的精細(xì)調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，在雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中引入納米粒子，還可以進一步增強其力學(xué)性能和功能特性。納米粒子與聚合物網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用能夠增加網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)點，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，同時賦予凝膠一些新的功能，如導(dǎo)電性、抗菌性等。納米復(fù)合技術(shù)也是制備強韌型功能凝膠的常用方法。將納米粒子均勻分散在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，利用納米粒子的小尺寸效應(yīng)、高比表面積和特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，與聚合物網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生強相互作用，從而增強凝膠的力學(xué)性能。常見的納米粒子包括納米二氧化硅、納米黏土、碳納米管、石墨烯等。這些納米粒子能夠有效地提高凝膠的拉伸強度、彈性模量和韌性等力學(xué)性能。以納米二氧化硅增強的聚丙烯酰胺水凝膠為例，納米二氧化硅與聚丙烯酰胺分子鏈之間通過氫鍵和靜電相互作用形成了緊密的結(jié)合，使得水凝膠的力學(xué)性能得到了顯著提高。在該體系中，納米二氧化硅的加入不僅增加了網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度，還在受力時起到了應(yīng)力集中點的作用，引發(fā)周圍聚合物鏈的取向和變形，從而耗散能量，提高了凝膠的韌性。通過控制納米粒子的種類、含量和分散狀態(tài)，可以實現(xiàn)對凝膠力學(xué)性能的有效調(diào)控。此外，納米復(fù)合技術(shù)還可以賦予凝膠一些特殊的功能，如對某些物質(zhì)的吸附選擇性、光催化性能等。動態(tài)共價鍵和非共價相互作用的引入為強韌型功能凝膠的制備提供了新的思路。動態(tài)共價鍵如二硫鍵、硼酸酯鍵等，以及非共價相互作用如氫鍵、疏水相互作用、π-π堆積等，具有可逆性和動態(tài)性。在凝膠受到外力作用時，這些動態(tài)鍵和非共價相互作用可以發(fā)生斷裂和重組，通過能量耗散來抵抗外力，同時保持凝膠網(wǎng)絡(luò)的完整性，從而提高凝膠的韌性和自修復(fù)能力。在含有硼酸酯鍵的聚乙烯醇水凝膠中，硼酸酯鍵在受力時能夠發(fā)生可逆的斷裂和重組，使得凝膠具有良好的韌性和自修復(fù)性能。當(dāng)凝膠受到拉伸時，硼酸酯鍵逐漸斷裂，吸收能量，避免了凝膠的突然斷裂；在去除外力后，硼酸酯鍵又能夠重新形成，恢復(fù)凝膠的結(jié)構(gòu)和性能。通過設(shè)計和調(diào)控這些動態(tài)鍵和非共價相互作用的種類、數(shù)量和分布，可以制備出具有不同性能的強韌型功能凝膠。在強韌型功能凝膠的表征方面，目前主要采用多種實驗技術(shù)和理論方法相結(jié)合的方式，對其結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、功能特性等進行全面深入的研究。掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，能夠直觀地觀察凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、納米粒子的分散狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)與納米粒子之間的相互作用等。通過SEM圖像，可以清晰地看到雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中兩個網(wǎng)絡(luò)的交織情況，以及納米復(fù)合凝膠中納米粒子在聚合物網(wǎng)絡(luò)中的分布。而TEM則可以進一步觀察納米粒子的尺寸、形狀和晶體結(jié)構(gòu)等微觀信息，為深入理解凝膠的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系提供了重要依據(jù)。力學(xué)性能測試是表征強韌型功能凝膠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括拉伸測試、壓縮測試、剪切測試、動態(tài)力學(xué)分析（DMA）等。拉伸測試可以獲得凝膠的拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量等參數(shù)，反映凝膠在拉伸載荷下的力學(xué)性能。壓縮測試則主要用于評估凝膠在壓縮載荷下的性能，如壓縮強度、壓縮模量等。DMA能夠測量凝膠在不同溫度和頻率下的動態(tài)力學(xué)性能，包括儲能模量、損耗模量和損耗因子等，通過這些參數(shù)可以了解凝膠的粘彈性行為和分子運動情況。通過對不同制備方法得到的強韌型功能凝膠進行力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的拉伸強度和斷裂伸長率通常優(yōu)于單一網(wǎng)絡(luò)水凝膠，納米復(fù)合凝膠的彈性模量和韌性有明顯提升。對于強韌型功能凝膠的功能特性，如刺激響應(yīng)性、自愈合性、黏附性等，也有相應(yīng)的表征方法。對于刺激響應(yīng)性凝膠，通過改變外界刺激條件，如溫度、pH值、電場、磁場等，利用紫外-可見光譜（UV-Vis）、熒光光譜、核磁共振（NMR）等技術(shù)，監(jiān)測凝膠的結(jié)構(gòu)和性能變化，從而研究其刺激響應(yīng)行為。自愈合性能的表征則通常采用劃痕實驗、切割實驗等方法，觀察凝膠在受損后的愈合過程和愈合效果，通過測量愈合前后的力學(xué)性能恢復(fù)程度來評估其自愈合能力。黏附性能的測試可以通過測量凝膠與不同材料表面之間的黏附力，采用拉伸剝離實驗、剪切黏附實驗等方法進行。盡管強韌型功能凝膠的研究已經(jīng)取得了眾多成果，但目前仍存在一些問題亟待解決。部分制備方法較為復(fù)雜，需要使用特殊的設(shè)備和試劑，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。一些制備過程中涉及的化學(xué)反應(yīng)條件較為苛刻，反應(yīng)時間長，產(chǎn)率低，增加了生產(chǎn)成本和制備難度。在性能方面，雖然已經(jīng)在一定程度上提高了凝膠的力學(xué)性能和功能特性，但在某些極端條件下或特定應(yīng)用場景中，其性能仍難以滿足要求。在高溫、高壓、高濕度等惡劣環(huán)境下，一些強韌型功能凝膠的力學(xué)性能會出現(xiàn)明顯下降，功能特性也可能受到影響。此外，對于強韌型功能凝膠的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的深入理解還不夠，缺乏系統(tǒng)的理論模型來指導(dǎo)材料的設(shè)計和優(yōu)化。展望未來，強韌型功能凝膠的研究將朝著以下幾個方向發(fā)展。開發(fā)更加簡單、高效、綠色的制備方法是未來研究的重要方向之一。通過探索新的合成路徑和技術(shù)，如3D打印技術(shù)、微流控技術(shù)等，實現(xiàn)強韌型功能凝膠的快速制備和精準(zhǔn)成型，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。3D打印技術(shù)可以根據(jù)設(shè)計的三維模型，逐層打印出具有特定結(jié)構(gòu)和功能的凝膠材料，實現(xiàn)個性化定制。微流控技術(shù)則能夠在微尺度下精確控制化學(xué)反應(yīng)和材料的合成過程，制備出結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)異的凝膠。進一步提高強韌型功能凝膠在極端條件下的性能穩(wěn)定性和適應(yīng)性，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。研究人員將致力于開發(fā)具有耐高溫、耐低溫、耐酸堿、耐磨損等特性的強韌型功能凝膠，以滿足航空航天、深海探測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)Σ牧系膰?yán)苛要求。在航空航天領(lǐng)域，需要凝膠材料能夠在高溫、高輻射等極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，用于航天器的密封、隔熱等部件。深入研究強韌型功能凝膠的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，建立更加完善的理論模型，為材料的設(shè)計和優(yōu)化提供堅實的理論基礎(chǔ)。借助計算機模擬和人工智能技術(shù)，對凝膠的分子結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、力學(xué)性能等進行模擬和預(yù)測，加速新型強韌型功能凝膠的研發(fā)進程。通過計算機模擬，可以快速篩選和優(yōu)化材料的組成和結(jié)構(gòu)，減少實驗次數(shù)，降低研發(fā)成本。人工智能技術(shù)則可以從大量的實驗數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，發(fā)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)與性能之間的潛在規(guī)律，為材料的設(shè)計提供新的思路。二、強韌型功能凝膠的制備2.1制備原材料2.1.1常見原料介紹強韌型功能凝膠的制備離不開各種基礎(chǔ)原料，其中單體和交聯(lián)劑起著核心作用。單體是形成凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對凝膠的性能有著決定性影響。常見的單體包括丙烯酸及其衍生物、丙烯酰胺及其衍生物、乙烯基單體等。以丙烯酸（AA）為例，其分子結(jié)構(gòu)中含有碳-碳雙鍵和羧基。碳-碳雙鍵賦予了丙烯酸良好的聚合活性，在引發(fā)劑的作用下，能夠通過自由基聚合反應(yīng)與其他單體或自身發(fā)生加成聚合，形成長鏈聚合物。而羧基則使聚合物鏈具有親水性，有利于凝膠在水中的溶脹和分散，同時羧基還可以參與后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，如與金屬離子形成配位鍵，從而為凝膠引入新的性能。在制備具有pH響應(yīng)性的強韌型功能凝膠時，丙烯酸作為單體，其羧基在不同pH環(huán)境下會發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化，導(dǎo)致凝膠的體積和性質(zhì)發(fā)生變化，實現(xiàn)對pH的響應(yīng)。丙烯酰胺（AM）也是一種常用的單體，其分子中的酰胺基具有較強的極性和氫鍵形成能力。在聚合過程中，丙烯酰胺單體通過碳-碳雙鍵的聚合形成聚丙烯酰胺鏈，酰胺基之間可以通過氫鍵相互作用，增強聚合物鏈之間的相互作用力，有助于提高凝膠的力學(xué)性能。聚丙烯酰胺凝膠在水處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其酰胺基能夠與水中的一些污染物發(fā)生吸附作用，實現(xiàn)對水的凈化。同時，由于其良好的力學(xué)性能，能夠在處理過程中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易破碎。交聯(lián)劑則是構(gòu)建凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵物質(zhì)，它能夠在聚合物鏈之間形成化學(xué)鍵或物理交聯(lián)點，使線性聚合物鏈相互連接，從而形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。常見的交聯(lián)劑有N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、戊二醛、環(huán)氧氯丙烷等。N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺分子中含有兩個丙烯酰胺基團，在自由基聚合反應(yīng)中，它可以與丙烯酰胺等單體同時發(fā)生聚合，通過兩個丙烯酰胺基團分別與不同的聚合物鏈相連，從而在聚合物鏈之間形成共價交聯(lián)，增強凝膠網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和強度。在制備高強度的聚丙烯酰胺凝膠時，適量添加N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯(lián)劑，可以顯著提高凝膠的拉伸強度和彈性模量。戊二醛是一種常用的生物相容性交聯(lián)劑，其分子中的醛基具有較高的反應(yīng)活性，能夠與含有氨基、羥基等活性基團的聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，常用于交聯(lián)含有氨基的聚合物，如殼聚糖，形成具有良好生物相容性的凝膠。戊二醛與殼聚糖分子中的氨基發(fā)生席夫堿反應(yīng)，形成穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種交聯(lián)后的殼聚糖凝膠可用于藥物緩釋載體、組織工程支架等。由于其良好的生物相容性，不會對生物體產(chǎn)生明顯的毒性和免疫反應(yīng)，能夠在體內(nèi)環(huán)境中穩(wěn)定存在并發(fā)揮作用。除了單體和交聯(lián)劑，在強韌型功能凝膠的制備過程中，還常常會用到引發(fā)劑、溶劑和其他添加劑。引發(fā)劑用于引發(fā)單體的聚合反應(yīng)，常見的引發(fā)劑有過硫酸銨（APS）、偶氮二異丁腈（AIBN）等。過硫酸銨在水溶液中能夠分解產(chǎn)生硫酸根自由基，從而引發(fā)丙烯酸、丙烯酰胺等單體的自由基聚合反應(yīng)。偶氮二異丁腈則在加熱或光照條件下分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)聚合反應(yīng)，常用于有機體系中的聚合反應(yīng)。溶劑在凝膠制備過程中起到溶解單體、交聯(lián)劑和其他添加劑的作用，使反應(yīng)能夠在均相體系中進行。常用的溶劑有水、乙醇、二甲基亞砜（DMSO）等。水是最常用的溶劑之一，具有無毒、價廉、易獲取等優(yōu)點，適用于大多數(shù)水溶性單體和交聯(lián)劑的反應(yīng)體系。在制備水凝膠時，水作為溶劑，不僅能夠溶解反應(yīng)物，還參與凝膠的形成過程，影響凝膠的結(jié)構(gòu)和性能。乙醇也是一種常用的有機溶劑，具有揮發(fā)性好、溶解性適中的特點，常用于一些對水敏感的單體或交聯(lián)劑的反應(yīng)體系。其他添加劑如納米粒子、增塑劑、功能助劑等，可以賦予凝膠特殊的性能。納米粒子如納米二氧化硅、納米黏土、碳納米管、石墨烯等，能夠增強凝膠的力學(xué)性能、改善其功能特性。納米二氧化硅表面含有大量的羥基，能夠與聚合物鏈形成氫鍵等相互作用，增加凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度，提高凝膠的拉伸強度和韌性。增塑劑可以提高凝膠的柔韌性和可塑性，使其在受力時更容易發(fā)生變形而不破裂。功能助劑則根據(jù)不同的應(yīng)用需求添加，如用于制備具有抗菌性能的凝膠時，會添加抗菌劑；用于制備具有熒光性能的凝膠時，會添加熒光染料等。2.1.2原料選擇依據(jù)強韌型功能凝膠原料的選擇是一個綜合考量多方面因素的過程，主要依據(jù)目標(biāo)性能和應(yīng)用場景來確定。從目標(biāo)性能角度來看，若要制備高強度的凝膠，需選擇能夠形成緊密交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)且自身強度較高的單體和交聯(lián)劑。在制備用于承重結(jié)構(gòu)的強韌型功能凝膠時，可選用剛性較強的單體，如含有苯環(huán)等剛性結(jié)構(gòu)的單體，其在聚合后形成的聚合物鏈具有較高的剛性，有助于提高凝膠的整體強度。同時，選擇交聯(lián)密度高、交聯(lián)鍵強度大的交聯(lián)劑，如采用多官能團的交聯(lián)劑，能夠在聚合物鏈之間形成更多的交聯(lián)點，增強網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，從而提高凝膠的強度。像在制備用于建筑領(lǐng)域的密封凝膠時，要求凝膠具有較高的抗壓強度和拉伸強度，以適應(yīng)不同的施工環(huán)境和受力條件。此時可選擇含有多個反應(yīng)活性基團的交聯(lián)劑，與剛性單體進行聚合反應(yīng)，形成緊密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使凝膠具備良好的力學(xué)性能，能夠承受一定的壓力和拉力而不發(fā)生破裂。對于需要高韌性的凝膠，應(yīng)考慮引入具有能量耗散機制的原料。動態(tài)共價鍵或非共價相互作用的單體和交聯(lián)劑是不錯的選擇。含有硼酸酯鍵的單體或交聯(lián)劑，在凝膠受到外力作用時，硼酸酯鍵能夠發(fā)生可逆的斷裂和重組，通過能量耗散來抵抗外力，提高凝膠的韌性。在制備用于柔性電子器件的強韌型功能凝膠時，由于器件在使用過程中會受到各種拉伸、彎曲等外力作用，需要凝膠具有高韌性，以保證器件的正常工作和使用壽命。此時可選用含有動態(tài)共價鍵的原料，使凝膠在受力時能夠通過共價鍵的動態(tài)變化來耗散能量，避免因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的材料破壞，從而提高凝膠的柔韌性和抗疲勞性能。當(dāng)目標(biāo)性能為特定的功能特性時，原料的選擇則圍繞功能需求展開。對于具有刺激響應(yīng)性的凝膠，若對溫度響應(yīng)，可選擇具有溫度敏感基團的單體，如N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）。N-異丙基丙烯酰胺的聚合物在溫度低于其低臨界溶解溫度（LCST）時，分子鏈呈伸展?fàn)顟B(tài)，凝膠處于溶脹狀態(tài)；當(dāng)溫度高于LCST時，分子鏈發(fā)生收縮，凝膠體積減小，從而實現(xiàn)對溫度的響應(yīng)。在制備用于藥物控釋的溫度響應(yīng)性凝膠時，將藥物包裹在含有N-異丙基丙烯酰胺的凝膠中，通過溫度的變化來控制凝膠的溶脹和收縮，進而實現(xiàn)藥物的可控釋放。若對pH響應(yīng)，則可選擇含有羧基、氨基等可離子化基團的單體，如丙烯酸、甲基丙烯酸等。這些基團在不同pH值下會發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化，導(dǎo)致凝膠的電荷密度和親水性發(fā)生變化，從而引起凝膠體積的改變，實現(xiàn)對pH的響應(yīng)。在制備用于生物醫(yī)學(xué)檢測的pH響應(yīng)性凝膠傳感器時，利用凝膠對不同pH值的響應(yīng)特性，將其與生物分子結(jié)合，通過檢測凝膠的體積變化或其他物理化學(xué)性質(zhì)的改變，來實現(xiàn)對生物分子的檢測。從應(yīng)用場景出發(fā)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，原料的生物相容性是首要考慮因素。必須選擇無毒、無免疫原性且不會對生物體產(chǎn)生不良影響的單體、交聯(lián)劑和添加劑。殼聚糖是一種天然的多糖，具有良好的生物相容性、生物可降解性和抗菌性，常被用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的凝膠制備。在制備組織工程支架時，以殼聚糖為原料，與具有生物活性的單體或交聯(lián)劑結(jié)合，形成的凝膠支架能夠為細(xì)胞的黏附、增殖和分化提供適宜的微環(huán)境，促進組織的修復(fù)和再生。同時，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，還需考慮凝膠的降解速度與組織修復(fù)速度的匹配性。若凝膠降解過快，可能無法為組織修復(fù)提供足夠的支撐；若降解過慢，可能會在體內(nèi)殘留，對生物體造成潛在危害。在電子領(lǐng)域，除了力學(xué)性能外，電學(xué)性能是關(guān)鍵。對于用于制備柔性傳感器的強韌型功能凝膠，需要具有良好的導(dǎo)電性。此時可選擇含有導(dǎo)電基團的單體或添加導(dǎo)電納米粒子。在單體中引入離子液體基團，能夠賦予凝膠離子導(dǎo)電性?；蛘咛砑犹技{米管、石墨烯等導(dǎo)電納米材料，使其均勻分散在凝膠網(wǎng)絡(luò)中，形成導(dǎo)電通路，提高凝膠的導(dǎo)電性。在制備可穿戴的柔性壓力傳感器時，將含有導(dǎo)電納米粒子的強韌型功能凝膠作為敏感材料，當(dāng)受到壓力作用時，凝膠的電阻會發(fā)生變化，通過檢測電阻的變化來實現(xiàn)對壓力的傳感。同時，凝膠的柔韌性和穩(wěn)定性也非常重要，以確保在穿戴過程中能夠適應(yīng)人體的各種運動，并且在長期使用過程中保持性能的穩(wěn)定。2.2制備方法2.2.1自由基聚合法自由基聚合法是制備強韌型功能凝膠的一種常用且重要的方法，其反應(yīng)原理基于自由基的活性引發(fā)單體分子之間的鏈?zhǔn)郊映删酆戏磻?yīng)。以制備聚丙烯酰胺強韌型功能凝膠為例，在該反應(yīng)體系中，常用的引發(fā)劑過硫酸銨（APS）在水溶液中受熱分解，產(chǎn)生具有高度活性的硫酸根自由基。這些自由基能夠與丙烯酰胺單體分子發(fā)生反應(yīng)，打開單體分子中的碳-碳雙鍵，形成單體自由基。隨后，單體自由基不斷地與周圍的丙烯酰胺單體分子進行加成反應(yīng)，使聚合物鏈迅速增長。在具體的實驗步驟中，首先需精確稱取一定量的丙烯酰胺單體，將其溶解于適量的去離子水中，形成均勻的單體溶液。例如，稱取5g丙烯酰胺，加入到100mL去離子水中，攪拌使其充分溶解。接著，按照一定比例加入交聯(lián)劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA），交聯(lián)劑的用量通常為單體質(zhì)量的0.5%-2%，在此實驗中加入0.05gN,N'-亞甲基雙丙烯酰胺，它能夠在聚合物鏈之間形成交聯(lián)點，構(gòu)建起三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然后，加入引發(fā)劑過硫酸銨，引發(fā)劑的用量一般為單體質(zhì)量的0.1%-0.5%，這里加入0.02g過硫酸銨。將上述混合溶液充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，倒入特定的模具中，如玻璃模具或聚四氟乙烯模具。將裝有混合溶液的模具置于恒溫水浴鍋中，在適宜的溫度下進行聚合反應(yīng)，反應(yīng)溫度一般控制在50-70°C，反應(yīng)時間為2-4小時。在反應(yīng)過程中，體系中的自由基引發(fā)單體聚合，逐漸形成具有一定強度和韌性的聚丙烯酰胺凝膠。自由基聚合法具有諸多優(yōu)點。反應(yīng)條件相對溫和，通常在常溫或稍高于常溫的條件下即可進行，無需特殊的高壓、高溫或極端環(huán)境設(shè)備，這使得實驗操作相對簡便，成本較低。該方法適用范圍廣泛，能夠用于多種單體的聚合反應(yīng)，通過選擇不同的單體和交聯(lián)劑，可以制備出具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能的強韌型功能凝膠?？梢赃x擇含有特殊功能基團的單體，如含有羧基、氨基、磺酸基等的單體，賦予凝膠相應(yīng)的功能特性，如pH響應(yīng)性、離子交換性等。自由基聚合法的反應(yīng)速度較快，能夠在較短的時間內(nèi)獲得較高分子量的聚合物，從而提高生產(chǎn)效率。然而，自由基聚合法也存在一些不足之處。反應(yīng)過程中自由基的活性較高，反應(yīng)難以精確控制，容易導(dǎo)致聚合物鏈的分子量分布較寬。這可能會影響凝膠的性能均勻性，使得不同批次制備的凝膠在力學(xué)性能、功能特性等方面存在一定差異。在自由基聚合過程中，可能會發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移、鏈終止等副反應(yīng)，這些副反應(yīng)會影響聚合物鏈的增長和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成，進而影響凝膠的最終性能。鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)可能會導(dǎo)致聚合物鏈的支化，降低凝膠的強度和韌性；鏈終止反應(yīng)則可能使聚合物鏈的長度受到限制，無法形成理想的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。自由基聚合法通常需要使用引發(fā)劑，而一些引發(fā)劑可能具有毒性或刺激性，在制備過程中需要注意安全防護，并且在后續(xù)應(yīng)用中可能需要對凝膠進行進一步的處理，以去除殘留的引發(fā)劑，避免對應(yīng)用場景產(chǎn)生不良影響。2.2.2冷凍澆注輔助溶液置換法冷凍澆注輔助溶液置換法是一種制備強韌型功能凝膠的獨特方法，該方法能夠有效地調(diào)控凝膠的結(jié)構(gòu)和性能。以制備聚乙烯醇（PVA）強韌型功能凝膠為例，其制備過程如下。首先，配制一定濃度的聚乙烯醇溶液，一般將10-15wt%的聚乙烯醇顆粒加入到去離子水中，在加熱和攪拌的條件下使其充分溶解，得到均勻的聚乙烯醇溶液。將該溶液倒入特定的模具中，然后將模具置于低溫環(huán)境中，如-80°C的冰箱中，進行單向冷凍。在冷凍過程中，溶液中的水分子會逐漸結(jié)晶形成冰柱，冰柱的生長會促使聚乙烯醇分子相的初始濃度增加，同時長鏈的聚乙烯醇分子之間發(fā)生纏結(jié)，從而形成具有蜂窩狀微觀結(jié)構(gòu)的冷凍體。隨后，將冷凍的聚乙烯醇塊從模具中取出，浸入含有特定溶質(zhì)的溶液中，如含有氯化鐵的乙醇溶液（2wt%）。在低溫條件下，如-10°C，溶液開始進行置換過程，乙醇分子逐漸取代冷凍體中的水分子，同時溶液中的溶質(zhì)（如Fe3?離子）與聚乙烯醇分子發(fā)生相互作用。Fe3?離子能夠與聚乙烯醇分子鏈上的羥基形成配位鍵，進一步增強分子鏈之間的相互作用力，促進聚乙烯醇鏈之間氫鍵的形成。隨著溶液置換的完成，最終得到具有各向異性分級結(jié)構(gòu)的高結(jié)晶度纖維水凝膠。這種方法對凝膠結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生多方面的顯著影響。在結(jié)構(gòu)方面，冷凍過程中形成的蜂窩狀微觀結(jié)構(gòu)以及溶液置換后形成的各向異性分級結(jié)構(gòu)，使得凝膠具有獨特的多層次結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠有效地增強凝膠的力學(xué)性能，在拉伸過程中，纖維的斷裂和拔出會耗散機械能，延長整體結(jié)構(gòu)的變形，同時纖維交織成三維蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過限制變形和傳遞應(yīng)力來維持水凝膠的彈性和強度。在納米尺度上，許多聚合物鏈通過纏結(jié)和鍵合連接形成納米晶域和高結(jié)晶度，一些鏈可能因相對較弱的鍵合而斷裂，而其他具有更強交聯(lián)的鏈能夠在變形過程中維持水凝膠的高強度和彈性。在分子尺度上，通過冷凍鑄造濃度、乙醇聚集和高能鏈連接Fe鍵交聯(lián)的復(fù)合效應(yīng)，形成了大量的氫鍵，在斷裂過程中，打破這些鍵會耗散大量能量，保證了水凝膠的高強度和高拉伸性。在性能方面，通過冷凍澆注輔助溶液置換法制備的凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能。與傳統(tǒng)方法制備的聚乙烯醇凝膠相比，其拉伸強度、斷裂伸長率和韌性都有顯著提高。研究表明，采用該方法制備的聚乙烯醇有機水凝膠強度可達6.5MPa以上，伸長率可達1710%，韌性高達58.9mJm?3。該方法還可以賦予凝膠多種功能。由于引入了具有特定功能的溶質(zhì)，如上述例子中的氯化鐵，使得凝膠具有一定的導(dǎo)電性，可應(yīng)用于柔性電子器件領(lǐng)域。該方法制備的凝膠還具有熱愈合、耐凍性和形狀恢復(fù)等功能，拓寬了凝膠的應(yīng)用范圍。2.2.3其他新興方法除了上述兩種常見的制備方法外，還有一些新興的方法在強韌型功能凝膠的制備中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。層層自組裝法是一種基于分子間弱相互作用，如靜電相互作用、氫鍵、π-π堆積等，將不同的分子或納米粒子逐層交替沉積在基底表面，構(gòu)建具有特定結(jié)構(gòu)和功能的多層薄膜或凝膠的方法。在制備強韌型功能凝膠時，首先選擇合適的帶相反電荷的聚電解質(zhì)溶液。將帶正電荷的聚陽離子（如聚烯丙基胺鹽酸鹽）和帶負(fù)電荷的聚陰離子（如聚丙烯酸鈉）分別溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?。將基底浸入聚陽離子溶液中，使其表面吸附一層聚陽離子。通過清洗去除未吸附的聚陽離子，然后將基底浸入聚陰離子溶液中，聚陰離子與表面的聚陽離子通過靜電相互作用結(jié)合，形成第二層。重復(fù)上述過程，使聚陽離子和聚陰離子逐層交替沉積，逐漸形成多層結(jié)構(gòu)。在沉積過程中，可以引入納米粒子（如納米二氧化硅、碳納米管等）來增強凝膠的力學(xué)性能。將表面修飾有負(fù)電荷的納米二氧化硅分散在聚陽離子溶液中，當(dāng)沉積聚陽離子層時，納米二氧化硅也會被吸附到表面，與聚陽離子和聚陰離子相互作用，增強層間的結(jié)合力和凝膠的整體強度。層層自組裝法制備的強韌型功能凝膠具有精確可控的結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)沉積的層數(shù)和每層的組成，可以實現(xiàn)對凝膠性能的精細(xì)調(diào)控。這種方法制備的凝膠在生物醫(yī)學(xué)、傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，可用于制備生物相容性好的藥物載體、高靈敏度的傳感器敏感膜等。3D打印法是近年來迅速發(fā)展的一種先進制造技術(shù)，它能夠根據(jù)計算機設(shè)計的三維模型，通過逐層堆積材料的方式制造出具有復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的物體。在強韌型功能凝膠的制備中，3D打印法具有獨特的優(yōu)勢。首先需要制備具有良好打印性能的凝膠墨水。將含有單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和其他添加劑的溶液混合均勻，使其具有適當(dāng)?shù)酿ざ群土鲃有?，以滿足3D打印的要求。通過計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件設(shè)計出所需凝膠的三維模型，將模型導(dǎo)入3D打印機中。3D打印機根據(jù)模型的指令，通過擠出、光固化等方式，將凝膠墨水逐層堆積在打印平臺上，同時引發(fā)單體聚合和交聯(lián)反應(yīng)，逐漸形成強韌型功能凝膠。在光固化3D打印中，使用含有光敏引發(fā)劑的凝膠墨水，通過紫外光照射使引發(fā)劑產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體聚合和交聯(lián)，實現(xiàn)凝膠的快速成型。3D打印法可以制備出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的強韌型功能凝膠，滿足不同應(yīng)用場景對凝膠形狀和結(jié)構(gòu)的特殊要求。在組織工程領(lǐng)域，可以根據(jù)患者的具體需求，打印出具有個性化形狀和結(jié)構(gòu)的組織工程支架，為細(xì)胞的生長和組織的修復(fù)提供理想的微環(huán)境。該方法還能夠?qū)崿F(xiàn)凝膠的快速制備和大規(guī)模生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。2.3制備條件的優(yōu)化2.3.1反應(yīng)溫度和時間的影響反應(yīng)溫度和時間對強韌型功能凝膠的性能有著至關(guān)重要的影響，通過一系列精心設(shè)計的實驗，能夠深入探究二者對凝膠性能的具體作用規(guī)律，從而確定最佳的反應(yīng)條件。以自由基聚合法制備聚丙烯酰胺強韌型功能凝膠為例，在實驗中，固定其他反應(yīng)條件，如單體丙烯酰胺的濃度為5wt%，交聯(lián)劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺的用量為單體質(zhì)量的1%，引發(fā)劑過硫酸銨的用量為單體質(zhì)量的0.3%。分別設(shè)置不同的反應(yīng)溫度，如40°C、50°C、60°C、70°C，以及不同的反應(yīng)時間，如1h、2h、3h、4h。在不同反應(yīng)溫度下，隨著溫度的升高，聚合反應(yīng)速率加快。在40°C時，單體聚合速度相對較慢，反應(yīng)1h后，凝膠的交聯(lián)程度較低，力學(xué)性能較弱，拉伸強度僅為0.1MPa。當(dāng)溫度升高到50°C時，反應(yīng)速率有所提升，反應(yīng)2h后，凝膠的拉伸強度達到0.2MPa。這是因為溫度升高，引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基的速率加快，更多的單體能夠迅速參與聚合反應(yīng)，使得聚合物鏈增長速度加快，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。繼續(xù)升高溫度至60°C，反應(yīng)3h后，凝膠的拉伸強度進一步提高到0.35MPa。此時，聚合反應(yīng)較為充分，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加完善，凝膠的力學(xué)性能得到顯著提升。然而，當(dāng)溫度升高到70°C時，雖然反應(yīng)速率更快，但過高的溫度可能導(dǎo)致自由基活性過高，引發(fā)鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止等副反應(yīng)加劇。反應(yīng)4h后，凝膠的拉伸強度雖然達到0.4MPa，但分子量分布變寬，凝膠的性能均勻性下降，在受力時容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致凝膠的韌性降低。在不同反應(yīng)時間下，隨著反應(yīng)時間的延長，凝膠的性能也發(fā)生明顯變化。在50°C的反應(yīng)溫度下，反應(yīng)1h時，凝膠的結(jié)構(gòu)尚未完全形成，內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)稀疏，導(dǎo)致其溶脹性能較差，平衡溶脹率僅為500%。隨著反應(yīng)時間延長至2h，凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)逐漸完善，平衡溶脹率增加到800%。這是因為隨著反應(yīng)的進行，更多的單體聚合形成聚合物鏈，交聯(lián)點增多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密，能夠容納更多的水分子，從而提高了溶脹性能。當(dāng)反應(yīng)時間達到3h時，凝膠的平衡溶脹率達到900%，基本趨于穩(wěn)定。繼續(xù)延長反應(yīng)時間至4h，溶脹性能變化不大，但長時間的反應(yīng)可能會導(dǎo)致凝膠老化，影響其其他性能。綜合考慮凝膠的力學(xué)性能和溶脹性能等因素，在該體系中，最佳的反應(yīng)溫度為60°C，反應(yīng)時間為3h。在此條件下制備的聚丙烯酰胺強韌型功能凝膠，具有較高的拉伸強度（0.35MPa）和良好的溶脹性能（平衡溶脹率900%），能夠滿足多種應(yīng)用場景的需求。2.3.2原料比例的調(diào)控原料比例的精確調(diào)控是制備性能優(yōu)異的強韌型功能凝膠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，單體與交聯(lián)劑等原料比例的變化會顯著影響凝膠的結(jié)構(gòu)和性能，需要深入研究并制定合理的優(yōu)化策略。以制備聚乙烯醇（PVA）-硼酸酯強韌型功能凝膠為例，該凝膠體系中，單體為聚乙烯醇，交聯(lián)劑為硼酸。改變單體與交聯(lián)劑的摩爾比，如設(shè)置為5:1、4:1、3:1、2:1。當(dāng)單體與交聯(lián)劑的摩爾比為5:1時，硼酸與聚乙烯醇分子鏈上的羥基形成的硼酸酯鍵數(shù)量相對較少，凝膠的交聯(lián)程度較低。此時，凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為疏松，力學(xué)性能較弱，拉伸強度僅為0.05MPa。在受力時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)容易被破壞，導(dǎo)致凝膠發(fā)生斷裂。隨著交聯(lián)劑比例的增加，當(dāng)摩爾比為4:1時，硼酸酯鍵的數(shù)量增多，凝膠的交聯(lián)程度提高。凝膠的拉伸強度提升到0.1MPa，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有所增強，能夠承受一定程度的外力作用。繼續(xù)增加交聯(lián)劑比例至3:1，凝膠的拉伸強度進一步提高到0.2MPa。此時，硼酸酯鍵在聚乙烯醇分子鏈之間形成了較為緊密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有效地增強了凝膠的力學(xué)性能。當(dāng)摩爾比達到2:1時，雖然交聯(lián)程度進一步增加，但過多的硼酸酯鍵可能導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)過于剛性，柔韌性下降。凝膠的拉伸強度雖然達到0.3MPa，但斷裂伸長率顯著降低，在受到拉伸時容易發(fā)生脆性斷裂，失去了凝膠應(yīng)有的柔韌性和韌性。除了單體與交聯(lián)劑的比例，其他添加劑的含量也會對凝膠性能產(chǎn)生影響。在上述PVA-硼酸酯凝膠體系中，添加納米二氧化硅作為增強劑。當(dāng)納米二氧化硅的含量為0.5wt%時，納米二氧化硅均勻分散在凝膠網(wǎng)絡(luò)中，與聚乙烯醇分子鏈通過氫鍵等相互作用結(jié)合緊密。納米二氧化硅作為物理交聯(lián)點，增加了凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度，使得凝膠的拉伸強度提高到0.35MPa，同時韌性也有所增強。然而，當(dāng)納米二氧化硅的含量增加到2wt%時，由于納米粒子的團聚現(xiàn)象，部分區(qū)域的納米粒子聚集在一起，無法均勻地分散在凝膠網(wǎng)絡(luò)中。這導(dǎo)致凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，力學(xué)性能反而下降，拉伸強度降低到0.25MPa。因此，在制備強韌型功能凝膠時，需要綜合考慮各種原料的比例。對于PVA-硼酸酯凝膠體系，較優(yōu)的單體與交聯(lián)劑摩爾比為3:1，納米二氧化硅的添加量為0.5wt%。在此條件下，凝膠能夠形成均勻、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較高的拉伸強度（0.35MPa）和良好的柔韌性、韌性，能夠滿足實際應(yīng)用的需求。三、強韌型功能凝膠的表征手段3.1微觀結(jié)構(gòu)表征3.1.1掃描電子顯微鏡（SEM）掃描電子顯微鏡（SEM）是研究強韌型功能凝膠微觀結(jié)構(gòu)的重要工具，其工作原理基于電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)高能電子束轟擊強韌型功能凝膠樣品表面時，會激發(fā)多種物理信號，其中二次電子和背散射電子是用于成像的主要信號。二次電子是由樣品表面被入射電子激發(fā)出來的核外電子，其能量較低，一般不超過50eV，主要產(chǎn)生于樣品表層5-10nm深度范圍內(nèi)。由于二次電子對樣品表面形貌十分敏感，能夠非常有效地顯示樣品的表面微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。背散射電子則是被樣品中的原子反彈回來的一部分入射電子，其能量較高，能反映樣品的成分信息。在對強韌型功能凝膠進行SEM表征時，首先需要對樣品進行適當(dāng)?shù)奶幚?。對于水凝膠等含水量較高的凝膠樣品，通常需要進行冷凍干燥或臨界點干燥等處理，以去除水分并保持凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。將水凝膠樣品切成合適的尺寸，放入液氮中迅速冷凍，然后在冷凍干燥機中進行干燥處理，去除水分。為了增強樣品的導(dǎo)電性，還需要在樣品表面蒸鍍一層金屬薄膜，如金、鉑等。將處理好的樣品固定在SEM的樣品臺上，調(diào)整樣品的位置和角度，使其處于電子束的照射范圍內(nèi)。通過SEM觀察，能夠清晰地揭示強韌型功能凝膠的微觀結(jié)構(gòu)特征。在雙網(wǎng)絡(luò)強韌型功能凝膠中，可觀察到兩個不同交聯(lián)程度的聚合物網(wǎng)絡(luò)相互交織的結(jié)構(gòu)。其中，高交聯(lián)密度的網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出較為致密的形態(tài)，為凝膠提供了基本的強度和剛性；低交聯(lián)密度的網(wǎng)絡(luò)則相對較為疏松，具有較高的柔韌性。這兩個網(wǎng)絡(luò)相互纏繞，形成了一種獨特的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在納米復(fù)合強韌型功能凝膠中，能夠觀察到納米粒子均勻分散在聚合物網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)。納米粒子與聚合物鏈之間存在著強相互作用，如氫鍵、靜電相互作用等。這些相互作用使得納米粒子能夠有效地增強凝膠的力學(xué)性能，同時也會影響凝膠的其他性能，如溶脹性能、刺激響應(yīng)性能等。通過SEM圖像還可以觀察到納米粒子的尺寸、形狀和分布情況，這些信息對于理解納米復(fù)合凝膠的性能具有重要意義。強韌型功能凝膠的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間存在著密切的關(guān)系。致密且均勻的微觀結(jié)構(gòu)能夠提供更多的應(yīng)力傳遞路徑，使得凝膠在受力時能夠均勻地分散應(yīng)力，從而提高凝膠的力學(xué)性能。在具有均勻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強韌型功能凝膠中，當(dāng)受到拉伸力作用時，應(yīng)力能夠沿著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻地分布，避免了應(yīng)力集中導(dǎo)致的局部破壞，從而使凝膠能夠承受更大的拉伸力。微觀結(jié)構(gòu)中的特殊結(jié)構(gòu)和相互作用也會賦予凝膠特殊的功能。在含有動態(tài)共價鍵或非共價相互作用的強韌型功能凝膠中，這些動態(tài)鍵和相互作用在微觀結(jié)構(gòu)中形成了特殊的能量耗散機制。當(dāng)凝膠受到外力作用時，這些動態(tài)鍵和相互作用可以發(fā)生斷裂和重組，通過能量耗散來抵抗外力，同時保持凝膠網(wǎng)絡(luò)的完整性，從而使凝膠具有良好的韌性和自修復(fù)能力。3.1.2透射電子顯微鏡（TEM）透射電子顯微鏡（TEM）在觀察強韌型功能凝膠內(nèi)部納米級結(jié)構(gòu)方面具有獨特的優(yōu)勢，為深入研究凝膠的性能提供了關(guān)鍵信息。TEM的工作原理是利用高能電子束穿透極薄的樣品，電子與樣品中的原子相互作用，發(fā)生散射、吸收等過程，從而攜帶樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。通過一系列電磁透鏡對電子束進行聚焦和放大，最終在熒光屏或探測器上形成樣品的高分辨率圖像。在應(yīng)用TEM對強韌型功能凝膠進行表征時，樣品制備是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于TEM要求樣品非常薄，通常需要將強韌型功能凝膠制備成厚度小于100納米的薄片。對于一些較軟的凝膠樣品，可以采用冷凍超薄切片技術(shù)。將凝膠樣品迅速冷凍在液氮中，使其固化，然后使用超薄切片機在低溫下將樣品切成極薄的切片。對于含有納米粒子的強韌型功能凝膠，還可以采用溶液滴涂法。將凝膠樣品溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，形成均勻的溶液，然后將溶液滴涂在銅網(wǎng)等載網(wǎng)上，待溶劑揮發(fā)后，在載網(wǎng)上形成一層極薄的凝膠膜。通過TEM觀察，能夠獲取強韌型功能凝膠內(nèi)部納米級別的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。在納米復(fù)合強韌型功能凝膠中，可以清晰地看到納米粒子在聚合物網(wǎng)絡(luò)中的分布情況，以及納米粒子與聚合物鏈之間的相互作用。在含有碳納米管的強韌型功能凝膠中，TEM圖像可以顯示碳納米管在凝膠網(wǎng)絡(luò)中呈均勻分散狀態(tài)，并且與聚合物鏈之間存在著緊密的結(jié)合。碳納米管與聚合物鏈之間通過π-π堆積、氫鍵等相互作用，形成了穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅增強了凝膠的力學(xué)性能，還賦予了凝膠一些特殊的功能，如導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性等。TEM還可以用于觀察凝膠內(nèi)部的微觀缺陷、孔洞等結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)對凝膠的性能也有著重要的影響。Temu對研究強韌型功能凝膠的性能具有重要作用。通過Temu觀察到的納米級結(jié)構(gòu)信息，能夠深入理解凝膠的增強增韌機制。在納米復(fù)合強韌型功能凝膠中，納米粒子的存在增加了凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。當(dāng)凝膠受到外力作用時，納米粒子能夠有效地分散應(yīng)力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的材料破壞。納米粒子與聚合物鏈之間的相互作用還可以引發(fā)能量耗散機制，如界面摩擦、分子鏈的取向和變形等，從而進一步提高凝膠的韌性。Temu還可以用于研究凝膠在不同條件下的結(jié)構(gòu)變化，如溫度、pH值等環(huán)境因素對凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。通過對比不同條件下的Temu圖像，可以了解凝膠的結(jié)構(gòu)與性能之間的動態(tài)關(guān)系，為凝膠的性能優(yōu)化和應(yīng)用開發(fā)提供理論依據(jù)。3.2力學(xué)性能表征3.2.1拉伸測試?yán)鞙y試是評估強韌型功能凝膠力學(xué)性能的重要手段之一，其原理基于材料力學(xué)中的拉伸試驗。通過對強韌型功能凝膠樣品施加沿縱軸方向的靜態(tài)拉伸負(fù)荷，直至樣品被拉斷，在此過程中設(shè)備會自動記錄樣品形變的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，進而生成應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)力是指單位面積上所承受的外力，應(yīng)變則是指材料在受力時發(fā)生的相對形變。在具體實驗過程中，首先需根據(jù)實驗要求，將強韌型功能凝膠制備成標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴形或矩形樣品，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。將制備好的樣品安裝到萬能材料試驗機的拉伸夾具上，保證樣品處于拉伸狀態(tài)，且夾具與樣品之間的接觸均勻，避免在測試過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。設(shè)置好實驗條件，如拉伸速度、溫度、濕度等，一般拉伸速度控制在1-50mm/min之間，溫度保持在25°C左右，濕度控制在50%-60%。啟動萬能材料試驗機，開始進行拉伸測試。隨著拉伸負(fù)荷的逐漸增加，樣品逐漸發(fā)生形變，試驗機實時采集應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，并繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，可以獲取多個關(guān)鍵參數(shù)，用于分析凝膠的強度、韌性和延展性。拉伸強度是指材料在拉伸過程中所能承受的最大應(yīng)力，對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最高點。拉伸強度反映了凝膠抵抗拉伸破壞的能力，拉伸強度越高，說明凝膠在拉伸載荷下越不容易斷裂。對于一種通過自由基聚合法制備的聚丙烯酰胺強韌型功能凝膠，其拉伸強度達到了0.5MPa，表明該凝膠在一定程度的拉伸力作用下能夠保持結(jié)構(gòu)的完整性。斷裂伸長率是指材料斷裂時的應(yīng)變值，它反映了凝膠的延展性。斷裂伸長率越大，說明凝膠在斷裂前能夠發(fā)生更大程度的拉伸形變，具有更好的延展性。在制備過程中引入了柔性單體的強韌型功能凝膠，其斷裂伸長率可達到1000%以上，顯示出良好的拉伸性能，能夠適應(yīng)較大的變形而不發(fā)生斷裂。彈性模量是應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性階段的斜率，它表示材料在彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值。彈性模量反映了凝膠的剛度，彈性模量越大，說明凝膠越不容易發(fā)生彈性變形，材料越硬。在納米復(fù)合強韌型功能凝膠中，由于納米粒子的增強作用，其彈性模量相較于普通凝膠有顯著提高，表明納米粒子的加入增強了凝膠的剛度。韌性則是材料在斷裂過程中吸收能量的能力，可通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積來計算。韌性反映了凝膠在受到外力作用時抵抗破壞的能力，韌性越高，說明凝膠在斷裂前能夠吸收更多的能量，具有更好的抗破壞性能。一種含有動態(tài)共價鍵的強韌型功能凝膠，在受力時動態(tài)共價鍵發(fā)生斷裂和重組，通過能量耗散來抵抗外力，其韌性較高，在實際應(yīng)用中能夠更好地承受外力沖擊。3.2.2壓縮測試壓縮測試是研究強韌型功能凝膠在壓縮狀態(tài)下力學(xué)響應(yīng)的重要實驗方法，其對于評估凝膠在承受壓力時的性能具有關(guān)鍵意義。在實驗過程中，首先將強韌型功能凝膠制備成規(guī)則的圓柱形或長方體形樣品，樣品的尺寸需要根據(jù)實驗設(shè)備和測試要求進行精確控制。將制備好的樣品放置在萬能材料試驗機的壓縮平臺上，確保樣品與上下壓板緊密接觸，且處于中心位置，以保證受力均勻。設(shè)置合適的實驗參數(shù)，如壓縮速度、加載方式等。壓縮速度通常控制在0.5-5mm/min之間，加載方式可以選擇位移控制或力控制。在位移控制模式下，試驗機按照設(shè)定的位移速率對樣品進行壓縮，實時記錄壓縮過程中的力和位移數(shù)據(jù)；在力控制模式下，試驗機按照設(shè)定的力加載速率對樣品施加壓力，并記錄相應(yīng)的位移變化。啟動試驗機，開始對樣品進行壓縮。隨著壓力的逐漸增加，樣品發(fā)生壓縮形變，試驗機采集并記錄力-位移數(shù)據(jù)。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，可以得到凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。壓縮應(yīng)力是指單位面積上所承受的壓縮力，壓縮應(yīng)變則是指樣品在壓縮過程中的相對形變。從壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，可以獲取多個重要的力學(xué)參數(shù)。壓縮強度是指凝膠在壓縮過程中所能承受的最大應(yīng)力，它反映了凝膠抵抗壓縮破壞的能力。對于一種用于建筑密封的強韌型功能凝膠，其壓縮強度達到了2MPa，表明該凝膠能夠承受較大的壓力而不發(fā)生破壞，具有良好的抗壓性能。壓縮模量是壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性階段的斜率，它表示凝膠在彈性壓縮階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值，反映了凝膠的壓縮剛度。壓縮模量越大，說明凝膠在壓縮時越不容易發(fā)生彈性變形，具有更高的抗壓剛度。在制備過程中增加交聯(lián)劑用量的強韌型功能凝膠，其壓縮模量有所提高，這是因為交聯(lián)劑用量的增加使得凝膠網(wǎng)絡(luò)更加緊密，增強了凝膠的抗壓剛度。屈服點是指壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始偏離線性關(guān)系時的點，此時凝膠開始發(fā)生塑性變形。屈服強度是指屈服點對應(yīng)的應(yīng)力值，它反映了凝膠從彈性變形階段進入塑性變形階段的臨界應(yīng)力。了解凝膠的屈服強度對于評估其在實際應(yīng)用中的性能具有重要意義。在一些需要凝膠承受反復(fù)壓縮載荷的應(yīng)用場景中，如減震材料，凝膠的屈服強度決定了其能夠承受的最大壓縮力，超過屈服強度，凝膠可能會發(fā)生不可逆的變形，影響其使用效果。3.2.3流變測試流變測試在研究強韌型功能凝膠的粘彈性和流動特性方面具有不可或缺的作用，它能夠深入揭示凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。在流變測試中，通常使用旋轉(zhuǎn)流變儀或振蕩流變儀對強韌型功能凝膠進行測試。在使用旋轉(zhuǎn)流變儀時，將強韌型功能凝膠樣品放置在平行板或錐板之間，通過控制上板或錐板的旋轉(zhuǎn)，對樣品施加剪切應(yīng)力或剪切速率。在剪切應(yīng)力控制模式下，逐漸增加施加的剪切應(yīng)力，記錄樣品的剪切應(yīng)變響應(yīng)；在剪切速率控制模式下，設(shè)定不同的剪切速率，測量樣品所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。通過這些測量，可以得到凝膠的剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線以及粘度-剪切速率曲線。從剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線中，可以分析凝膠的線性粘彈性區(qū)域和非線性粘彈性區(qū)域。在線性粘彈性區(qū)域，凝膠的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，符合胡克定律，此時可以通過曲線的斜率計算得到凝膠的剪切模量。而在非線性粘彈性區(qū)域，應(yīng)力與應(yīng)變不再呈線性關(guān)系，凝膠的結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，如聚合物鏈的取向、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞與重組等。粘度-剪切速率曲線則反映了凝膠的流動特性。隨著剪切速率的增加，一些強韌型功能凝膠會表現(xiàn)出剪切變稀的特性，即粘度逐漸降低。這是因為在高剪切速率下，凝膠內(nèi)部的聚合物鏈發(fā)生取向，分子間的相互作用力減弱，導(dǎo)致粘度下降。而對于一些具有特殊結(jié)構(gòu)的強韌型功能凝膠，可能會出現(xiàn)剪切增稠的現(xiàn)象，即粘度隨著剪切速率的增加而增大，這通常與凝膠內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，如粒子的團聚、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重新排列等。振蕩流變儀則主要用于研究凝膠在動態(tài)振蕩剪切條件下的粘彈性。通過對樣品施加正弦交變的剪切應(yīng)力或剪切應(yīng)變，測量樣品的響應(yīng)，得到儲能模量（G'）、損耗模量（G''）和損耗因子（tanδ）等參數(shù)。儲能模量反映了凝膠儲存彈性應(yīng)變能的能力，代表了凝膠的彈性部分；損耗模量則表示凝膠在變形過程中以熱能形式損耗能量的能力，體現(xiàn)了凝膠的粘性部分。損耗因子是損耗模量與儲能模量的比值，用于衡量凝膠的粘彈性特性。當(dāng)tanδ＜1時，凝膠的彈性行為占主導(dǎo)；當(dāng)tanδ＞1時，粘性行為更為顯著。在頻率掃描實驗中，隨著振蕩頻率的增加，儲能模量和損耗模量會發(fā)生變化。對于一些強韌型功能凝膠，儲能模量在低頻區(qū)基本保持不變，表明凝膠具有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；而在高頻區(qū)，儲能模量可能會增加，這是因為聚合物鏈的運動受到限制，彈性響應(yīng)增強。損耗模量在低頻區(qū)通常較小，隨著頻率的增加逐漸增大，當(dāng)頻率達到一定值時，損耗模量可能會超過儲能模量，此時凝膠的粘性行為變得更加突出。通過分析這些參數(shù)的變化，可以深入了解凝膠的粘彈性本質(zhì)，以及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷下的響應(yīng)機制。3.3功能特性表征3.3.1刺激響應(yīng)性測試強韌型功能凝膠的刺激響應(yīng)性是其重要特性之一，以溫度、pH值等常見刺激為例，通過特定的測試方法和裝置能夠深入探究其響應(yīng)行為。對于溫度響應(yīng)性測試，常采用的裝置是帶有溫控系統(tǒng)的紫外-可見光譜儀（UV-Vis）或熒光光譜儀。以含有N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）的強韌型功能凝膠為例，將凝膠樣品放置在樣品池中，樣品池置于溫控裝置中。通過溫控系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，使其在一定范圍內(nèi)變化，如從20°C逐漸升高到50°C。在溫度變化過程中，利用UV-Vis光譜儀監(jiān)測凝膠對特定波長光的吸收變化，或使用熒光光譜儀檢測凝膠中熒光物質(zhì)的熒光強度變化。由于NIPAM聚合物在溫度低于其低臨界溶解溫度（LCST）時，分子鏈呈伸展?fàn)顟B(tài)，凝膠處于溶脹狀態(tài)，對光的吸收或熒光強度表現(xiàn)出特定的值；當(dāng)溫度高于LCST時，分子鏈發(fā)生收縮，凝膠體積減小，光吸收或熒光強度也會相應(yīng)改變。通過記錄不同溫度下的光信號變化，繪制出溫度-光信號響應(yīng)曲線，從而分析凝膠的溫度響應(yīng)特性，確定其LCST以及響應(yīng)的靈敏度和可逆性。pH響應(yīng)性測試通常使用pH計和電位滴定儀。以含有羧基或氨基等可離子化基團的強韌型功能凝膠為研究對象，將凝膠樣品浸泡在不同pH值的緩沖溶液中。首先，配制一系列不同pH值的緩沖溶液，如pH值分別為3、5、7、9、11的緩沖溶液。將凝膠樣品分別放入這些緩沖溶液中，在一定時間內(nèi)達到溶脹平衡。使用pH計測量浸泡前后緩沖溶液的pH值變化，以確定凝膠與緩沖溶液之間的離子交換情況。利用電位滴定儀對浸泡后的緩沖溶液進行滴定，分析其中離子濃度的變化。由于凝膠中的可離子化基團在不同pH值下會發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化，導(dǎo)致凝膠的電荷密度和親水性發(fā)生變化，進而引起凝膠體積的改變。通過測量不同pH值下凝膠的溶脹度，繪制出pH-溶脹度響應(yīng)曲線，分析凝膠的pH響應(yīng)特性，包括響應(yīng)范圍、響應(yīng)速度和響應(yīng)的穩(wěn)定性等。在這些刺激響應(yīng)性測試中，強韌型功能凝膠展現(xiàn)出獨特的響應(yīng)特性。對于溫度響應(yīng)性凝膠，其響應(yīng)具有明顯的溫度依賴性，在接近LCST時，光信號變化迅速，表明凝膠的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生了顯著改變。且這種響應(yīng)具有良好的可逆性，當(dāng)溫度在LCST上下反復(fù)變化時，凝膠能夠重復(fù)地發(fā)生溶脹和收縮，光信號也相應(yīng)地重復(fù)變化。對于pH響應(yīng)性凝膠，在酸性或堿性環(huán)境中，隨著pH值的變化，凝膠的溶脹度呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。在酸性條件下，含有羧基的凝膠中的羧基發(fā)生質(zhì)子化，凝膠的電荷密度降低，親水性減弱，溶脹度減??；在堿性條件下，羧基去質(zhì)子化，電荷密度增加，親水性增強，溶脹度增大。這種pH響應(yīng)特性使得凝膠在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。3.3.2導(dǎo)電性測試導(dǎo)電性是強韌型功能凝膠在電子領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵性能之一，常用的凝膠導(dǎo)電性測試方法有四探針法，該方法能夠準(zhǔn)確測量凝膠的電阻率，進而分析其導(dǎo)電性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。四探針法的測試原理基于歐姆定律。在測試過程中，將四個等間距的探針排列成一條直線，并垂直放置在強韌型功能凝膠樣品表面。四個探針分別標(biāo)記為1、2、3、4，其中探針1和4用于施加恒定電流I，探針2和3用于測量樣品表面兩點之間的電位差V。根據(jù)歐姆定律，樣品的電阻率ρ可以通過公式ρ=2πsV/I計算得出，其中s為探針間距。在實際操作中，首先需要將強韌型功能凝膠制備成厚度均勻、表面平整的薄片樣品，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。將樣品放置在絕緣樣品臺上，調(diào)整四探針的位置，使其與樣品表面良好接觸。使用恒流源向探針1和4施加穩(wěn)定的電流，電流大小一般根據(jù)凝膠的導(dǎo)電性和儀器的量程進行選擇，如選擇1mA的電流。利用高阻抗電壓表測量探針2和3之間的電位差，記錄下測量值。重復(fù)測量多次，取平均值以減小測量誤差。將測量得到的電位差和已知的電流、探針間距代入公式，計算出凝膠的電阻率。根據(jù)電阻率的大小可以判斷凝膠的導(dǎo)電性，電阻率越低，說明凝膠的導(dǎo)電性越好。強韌型功能凝膠的導(dǎo)電性與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在納米復(fù)合強韌型功能凝膠中，當(dāng)添加碳納米管、石墨烯等導(dǎo)電納米材料時，這些納米材料能夠在凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成導(dǎo)電通路。碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)性能和高長徑比，能夠在凝膠中相互連接，形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。通過四探針法測量發(fā)現(xiàn)，隨著碳納米管含量的增加，凝膠的電阻率逐漸降低，導(dǎo)電性逐漸增強。這是因為更多的碳納米管參與形成導(dǎo)電通路，使得電子在凝膠中的傳輸更加順暢。在含有離子液體的強韌型功能凝膠中，離子液體中的離子能夠在凝膠網(wǎng)絡(luò)中自由移動，從而實現(xiàn)離子導(dǎo)電。隨著離子液體含量的增加，凝膠中可移動離子的濃度增大，電阻率降低，導(dǎo)電性增強。然而，如果凝膠結(jié)構(gòu)中存在缺陷或納米材料分散不均勻，可能會導(dǎo)致導(dǎo)電通路的中斷或電阻增大，從而降低凝膠的導(dǎo)電性。四、影響強韌型功能凝膠性能的因素4.1化學(xué)結(jié)構(gòu)因素4.1.1交聯(lián)密度的影響交聯(lián)密度是影響強韌型功能凝膠性能的關(guān)鍵化學(xué)結(jié)構(gòu)因素之一，它對凝膠的強度和韌性有著重要的影響機制。交聯(lián)密度指的是單位體積凝膠中交聯(lián)點的數(shù)量，交聯(lián)點的增加使得聚合物鏈之間的連接更加緊密，形成更為穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從強度方面來看，隨著交聯(lián)密度的增加，凝膠的強度顯著提高。在自由基聚合法制備的聚丙烯酰胺凝膠中，當(dāng)交聯(lián)劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺的用量從單體質(zhì)量的0.5%增加到2%時，凝膠的交聯(lián)密度逐漸增大。通過拉伸測試發(fā)現(xiàn)，凝膠的拉伸強度從0.1MPa提升至0.5MPa。這是因為更高的交聯(lián)密度使得聚合物鏈之間的相互作用力增強，在受到外力作用時，應(yīng)力能夠更有效地在網(wǎng)絡(luò)中傳遞和分散，減少了局部應(yīng)力集中的可能性，從而提高了凝膠抵抗拉伸破壞的能力。更多的交聯(lián)點就像建筑物中的更多支撐結(jié)構(gòu)，使得整個凝膠網(wǎng)絡(luò)更加堅固，能夠承受更大的外力而不發(fā)生斷裂。在韌性方面，交聯(lián)密度的影響較為復(fù)雜。適度增加交聯(lián)密度可以提高凝膠的韌性。在一定范圍內(nèi)，隨著交聯(lián)密度的增加，凝膠網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性增強，當(dāng)受到外力沖擊時，能夠通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變形和調(diào)整來耗散能量，從而提高韌性。當(dāng)交聯(lián)劑用量為單體質(zhì)量的1%時，凝膠在受到拉伸時，能夠發(fā)生較大程度的形變，通過分子鏈的取向和交聯(lián)點的變形來吸收能量，表現(xiàn)出較好的韌性。然而，當(dāng)交聯(lián)密度過高時，凝膠網(wǎng)絡(luò)會變得過于剛性，分子鏈的活動空間受到極大限制。此時，凝膠在受力時難以通過分子鏈的運動和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整來耗散能量，容易發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致韌性下降。當(dāng)交聯(lián)劑用量達到單體質(zhì)量的3%時，凝膠雖然強度較高，但在拉伸過程中，斷裂伸長率顯著降低，表現(xiàn)出明顯的脆性，韌性變差。通過實驗數(shù)據(jù)可以清晰地看出交聯(lián)密度與凝膠強度和韌性之間的關(guān)系。以一系列不同交聯(lián)密度的聚乙烯醇凝膠為例，隨著交聯(lián)劑硼酸用量的增加，凝膠的交聯(lián)密度逐漸增大。當(dāng)硼酸與聚乙烯醇的摩爾比從1:5增加到1:2時，凝膠的壓縮強度從0.05MPa增加到0.2MPa，表明強度隨著交聯(lián)密度的增加而提高。而凝膠的斷裂伸長率則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)摩爾比為1:3時，斷裂伸長率達到最大值，此時凝膠的韌性較好；當(dāng)摩爾比繼續(xù)增加到1:2時，斷裂伸長率顯著下降，韌性降低。這進一步驗證了交聯(lián)密度對凝膠強度和韌性的影響規(guī)律，即適度增加交聯(lián)密度可同時提高強度和韌性，但過高的交聯(lián)密度會使韌性降低。4.1.2分子鏈段的作用分子鏈段在強韌型功能凝膠的性能中扮演著至關(guān)重要的角色，其長度、柔性等因素對凝膠性能有著顯著影響。分子鏈段的長度直接關(guān)系到凝膠的力學(xué)性能和功能特性。較長的分子鏈段能夠增加凝膠的分子量，使分子鏈之間的纏結(jié)更加復(fù)雜，從而增強凝膠的強度和韌性。在自由基聚合法制備的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）凝膠中，通過控制反應(yīng)條件延長分子鏈段長度。隨著分子鏈段長度的增加，凝膠的拉伸強度從0.2MPa提高到0.4MPa，斷裂伸長率也從50%增加到100%。這是因為較長的分子鏈段在受力時，能夠通過分子鏈之間的纏結(jié)和相對滑動來耗散能量，同時更多的分子鏈參與承載外力，使得凝膠能夠承受更大的拉伸力和變形。較長的分子鏈段還可以增加凝膠的彈性模量，提高其剛度。在一些需要凝膠具有較高剛度的應(yīng)用場景中，如結(jié)構(gòu)支撐材料，較長的分子鏈段能夠滿足這一需求。分子鏈段的柔性對凝膠性能也有著重要影響。柔性分子鏈段賦予凝膠良好的柔韌性和延展性，使其在受力時能夠更容易地發(fā)生變形而不破裂。在含有柔性聚醚鏈段的聚氨酯凝膠中，由于聚醚鏈段的柔性，凝膠具有出色的柔韌性，能夠在較大程度的彎曲和拉伸下保持結(jié)構(gòu)完整。當(dāng)對該凝膠進行彎曲測試時，它能夠反復(fù)彎曲而不出現(xiàn)裂紋或斷裂。柔性分子鏈段還可以改善凝膠的溶脹性能。柔性鏈段在溶劑中更容易舒展，使得凝膠能夠吸收更多的溶劑分子，從而提高溶脹度。在藥物緩釋領(lǐng)域，具有良好溶脹性能的凝膠能夠更好地負(fù)載和釋放藥物，通過控制分子鏈段的柔性可以調(diào)節(jié)凝膠的溶脹行為，實現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)釋放。為了優(yōu)化分子鏈段以提升凝膠性能，可以采用多種方法。在聚合反應(yīng)中，可以選擇合適的單體和聚合工藝來調(diào)控分子鏈段的長度和結(jié)構(gòu)。通過選擇具有特定官能團的單體，能夠在分子鏈段中引入特殊的結(jié)構(gòu)，如支鏈、環(huán)狀結(jié)構(gòu)等，從而改變分子鏈段的性能。在制備過程中添加鏈轉(zhuǎn)移劑也可以控制分子鏈段的長度。鏈轉(zhuǎn)移劑能夠與增長的聚合物鏈發(fā)生反應(yīng)，終止鏈增長并引發(fā)新的鏈增長，從而調(diào)節(jié)分子鏈段的長度分布。還可以通過化學(xué)改性的方法對分子鏈段進行修飾。在分子鏈段上引入功能性基團，如親水性基團、疏水性基團、可反應(yīng)性基團等，能夠賦予凝膠新的性能。引入親水性基團可以提高凝膠的吸水性和生物相容性，引入可反應(yīng)性基團則可以使凝膠進一步與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。4.2制備工藝因素4.2.1聚合方式的差異不同聚合方式對強韌型功能凝膠的性能有著顯著的影響，通過對比自由基聚合法、層層自組裝法等聚合方式，能夠深入了解聚合方式與凝膠性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。以自由基聚合法和層層自組裝法制備的聚丙烯酰胺強韌型功能凝膠為例，自由基聚合法是通過引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體的鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)，從而形成凝膠網(wǎng)絡(luò)。在該方法制備的凝膠中，聚合物鏈的增長是隨機的，交聯(lián)點的分布相對較為均勻。而層層自組裝法則是基于分子間的弱相互作用，如靜電相互作用、氫鍵等，將不同的分子或納米粒子逐層交替沉積在基底表面，構(gòu)建凝膠結(jié)構(gòu)。在這種方法制備的凝膠中，分子或納米粒子的排列具有一定的規(guī)律性，形成了有序的多層結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)方面來看，自由基聚合法制備的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對較為疏松，分子鏈之間的纏結(jié)和交聯(lián)程度相對較低。而層層自組裝法制備的凝膠具有更加緊密和有序的結(jié)構(gòu)，分子或納米粒子之間的相互作用更強，形成了穩(wěn)定的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，自由基聚合法制備的聚丙烯酰胺凝膠網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出較為粗糙和不規(guī)則的形態(tài)，交聯(lián)點分布相對稀疏；而層層自組裝法制備的凝膠則具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，各層之間緊密結(jié)合，結(jié)構(gòu)更加規(guī)整。在性能方面，兩種聚合方式制備的凝膠也表現(xiàn)出明顯的差異。自由基聚合法制備的凝膠通常具有較高的溶脹性能，能夠吸收大量的溶劑分子，這是由于其相對疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于溶劑分子的擴散和滲透。在相同條件下，自由基聚合法制備的聚丙烯酰胺凝膠的平衡溶脹率可達1000%以上。然而，其力學(xué)性能相對較弱，拉伸強度和彈性模量較低，在受到較大外力作用時容易發(fā)生變形和破裂。層層自組裝法制備的凝膠雖然溶脹性能相對較低，但其力學(xué)性能得到了顯著提升。由于其有序的多層結(jié)構(gòu)和較強的分子間相互作用，能夠有效地分散應(yīng)力，提高凝膠的強度和韌性。通過拉伸測試發(fā)現(xiàn)，層層自組裝法制備的聚丙烯酰胺凝膠的拉伸強度比自由基聚合法制備的凝膠提高了50%以上，彈性模量也有明顯增加。這種聚合方式制備的凝膠還具有更好的穩(wěn)定性和耐久性，在長時間的使用過程中能夠保持其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定。4.2.2后處理過程的作用后處理過程在強韌型功能凝膠的制備中起著至關(guān)重要的作用，它能夠顯著改善凝膠的性能，拓展其應(yīng)用范圍。以熱處理和溶劑交換這兩種常見的后處理過程為例，它們對凝膠性能的改善機制和效果各有特點。在熱處理過程中，將制備好的強韌型功能凝膠在一定溫度下進行加熱處理。以聚乙烯醇（PVA）凝膠為例，將其在80°C下熱處理2小時。在這個過程中，分子鏈的運動能力增強，分子鏈之間的相互作用發(fā)生變化。PVA分子鏈之間的氫鍵作用得到進一步強化，使得凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加緊密。通過力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，熱處理后的PVA凝膠拉伸強度從0.1MPa提高到0.2MPa，彈性模量也有所增加。這是因為熱處理增強了分子鏈之間的相互作用力，使得凝膠在受力時能夠更好地抵抗變形和破壞。熱處理還可以改善凝膠的結(jié)晶性能。對于一些具有結(jié)晶性的聚合物凝膠，如聚乳酸（PLA）凝膠，適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌虼龠M分子鏈的結(jié)晶，形成更加完善的晶體結(jié)構(gòu)。通過X射線衍射（XRD）分析可以觀察到，熱處理后的PLA凝膠結(jié)晶度提高，晶體尺寸增大。結(jié)晶度的提高使得凝膠的強度和硬度增加，同時也提高了其耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。溶劑交換是另一種重要的后處理過程，它是將凝膠中的原有溶劑替換為其他溶劑。將水凝膠浸泡在乙醇溶液中，進行溶劑交換。在這個過程中，溶劑分子與凝膠網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生相互作用，導(dǎo)致凝膠的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生改變。對于一些含有親水性基團的凝膠，如聚丙烯酸（PAA）水凝膠，當(dāng)進行水-乙醇溶劑交換后，乙醇分子與PAA分子鏈上的羧基發(fā)生相互作用，使得分子鏈的構(gòu)象發(fā)生變化。通過溶脹性能測試發(fā)現(xiàn)，溶劑交換后的PAA凝膠在乙醇中的溶脹性能與在水中有明顯差異。在乙醇中，凝膠的溶脹度降低，這是因為乙醇分子與羧基的相互作用減弱了分子鏈的親水性，從而減少了溶劑分子的吸收。溶劑交換還可以影響凝膠的力學(xué)性能。在一些情況下，溶劑交換可以使凝膠網(wǎng)絡(luò)更加致密，從而提高其力學(xué)性能。對于一些含有納米粒子的復(fù)合凝膠，溶劑交換可以改變納米粒子與聚合物鏈之間的相互作用，進一步增強納米粒子對凝膠的增強效果。在含有納米二氧化硅的聚丙烯酰胺凝膠中，通過溶劑交換使納米二氧化硅與聚合物鏈之間的結(jié)合更加緊密，從而提高了凝膠的拉伸強度和韌性。4.3外部環(huán)境因素4.3.1溫度和濕度的影響溫度和濕度作為重要的外部環(huán)境因素，對強韌型功能凝膠的性能有著顯著的影響。在溫度的影響方面，隨著溫度的升高，強韌型功能凝膠的分子鏈運動加劇，分子間相互作用力減弱。對于含有氫鍵等非共價相互作用的凝膠，高溫會使氫鍵斷裂，導(dǎo)致凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，從而使凝膠的力學(xué)性能下降。在高溫環(huán)境下，一些基于氫鍵交聯(lián)的聚乙烯醇凝膠的拉伸強度和彈性模量會明顯降低。溫度變化還會影響凝膠的溶脹性能。對于溫度響應(yīng)性凝膠，如含有N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）的凝膠，當(dāng)溫度升高到其低臨界溶解溫度（LCST）