水凝胶,是一类具有三维交联网络结构的聚合物材料,其特征是能够吸收大量的水而不溶解,并能保持一定的形状和具有一定的强度,这一特点使水凝胶成为一类重要的功能高分子材料,在医疗、化工、农业等方面具有广阔的应用。天然高分子是一类可持续发展的资源,具有良好的生物相容性、生物可降解性、资源丰富等优点,成为制备新型凝胶的首选原料。另外,面对目前地球上的化石资源日益减少的严峻形势,利用和开发高值化天然高分子材料有助于应对逐渐呈现的石油危机、能源危机。本论文采用纤维素或海藻酸钠天然高分子为原料,制备了多种新型复合水凝胶材料。采取多种手段和先进方法详细表征了所得复合水凝胶,并研究其性能。结果表明,这些水凝胶材料除了具备天然高分子的生物相容性和生物可降解性,还兼具多种特殊功能如高强韧的力学特性、蛋白质截留性能、温敏性等,在生物医学、环保领域具有潜在的应用价值。具体研究摘要如下:高强韧海藻酸钠/聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)互穿网络水凝胶的制备及表征这部分工作成功制备了一种高强韧互穿网络(IPN)结构的海藻酸钠/聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)复合水凝胶。首先,将N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)和海藻酸钠混合,引发DMAA自交联形成以化学键连接的第一网络,反应结束后,将中间产物浸入钙离子溶液中使海藻酸钠交联形成第二网络。采用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)研究了复合水凝胶的组成,扫描电镜(SEM)观察复合水凝胶的表面形貌。结果表明,海藻酸钠与聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)形成了具有均匀孔洞的三维网状凝胶结构。通过力学性能测试,研究了 DMAA与海藻酸钠的比例、固含量对IPN水凝胶的压缩强度及压缩恢复性能的影响。结果表明,DMAA与海藻酸钠的质量比为23.5:1.5,固含量为30%,在该配比下所制得的IPN复合水凝胶具有最佳压缩性能。本部分工作所提供的水凝胶制备方法扩展了海藻酸钠在高强韧水凝胶方面的应用范围。原位聚合法制备聚丙烯酰胺接枝纤维素复合凝胶及其在膜领域的应用这部分工作首先通过低温溶解法溶解纤维素并制备再生纤维素凝胶,将其浸泡于丙烯酰胺溶液中,采用硝酸铈铵引发丙烯酰胺在纤维素上的原位接枝聚合,制备了聚丙烯酰胺接枝纤维素的复合凝胶材料(RC-g-PAM)。采用傅立叶红外光谱(FT-IR)、元素分析和扫描电镜(SEM)详细研究和对比了再生纤维素凝胶在改性前后的组成和微观结构。结果表明,聚丙烯酰胺接枝率达64.5%,改性后的复合凝胶保留了再生纤维素凝胶的多孔结构。拉伸测试结果表明,改性后的复合凝胶力学性能和吸水性得到显著提高,RC-g-PAM凝胶拉伸强度达109MPa,饱和吸水率达347%;另外,将该复合凝胶应用于膜分离领域,RC-g-PAM凝胶的水通量为26.4L/(m2·h·MPa),是再生纤维素凝胶的2倍以上,对牛血清白蛋白也具有更高的截留率,这可能是复合凝胶与牛血清蛋白间的静电排斥作用所导致。因此,该复合凝胶在吸水、保水材料和膜分离领域具有较好的应用前景。原位聚合法制备聚(N-异丙基丙烯酰胺)接枝纤维素凝胶及其应用本部分工作成功制备了一种温敏性纤维素基凝胶材料。首先通过低温溶解法溶解纤维素并制备再生纤维素凝胶,再将其浸入N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体溶液中,以N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂,采用过硫酸铵(APS)引发NIPAM在纤维素分子链上的原位接枝聚合。通过傅立叶红外光谱(FT-IR)、元素分析和扫描电镜(SEM)测试对其组成和微观结构进行了研究和观察。结果表明,聚(N-异丙基丙烯酰胺)接枝率达45.7%,改性后的复合凝胶保留了再生纤维素凝胶的多孔结构。拉伸实验结果表明接枝改性后的纤维素凝胶的拉伸强度提高了约1.5倍,断裂伸长率提高了约2倍。通过不同温度下测试复合凝胶的吸水性能研究其温敏性,结果显示复合凝胶在10 ℃吸水率为241%,在50 ℃吸水率为162%,表现出显著的温敏性。此外,还研究了复合凝胶对铜离子的吸附性能,,并表现出吸附能力的温度敏感性。由此,本部分所制备的温敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)接枝纤维素复合凝胶有望后用于环境工程等领域。