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  水凝膠材料是由高分子長鏈經過交聯的聚合物鏈大分子網絡，基于不同長鏈或單體含有的特定基團合成的水凝膠可以響應不同溫度、pH和電場環境下的變化，以此可以應用在不同領域。基于此，天津工業大學李婷婷副教授團隊與臺灣逢甲大學林佳弘特聘教授和臺灣亞洲大學樓靜文特聘教授合作，通過凝膠結構設計開發并制備了可應用于防刺防護和重金屬污染物吸附領域的水凝膠及其復合材料，相關系列成果已發表在Compos Part A-Appl S、Compos Part B-Eng、Sci Total Environ和J Hazard Mater等期刊。

1、水凝膠基質軟質防刺復合材料的研究進展

  目前對于軟質防刺材料的研究多采用剪切增稠流體浸漬織物的方式，然而這種防刺材料被破壞后無法再次利用，因此亟需開發一種柔韌并且可二次利用的軟質防刺材料。基于此，利用高性能纖維材料和高強凝膠結合界面優勢，提出了一種軟質復合材料的設計策略，制備出了凝膠-織物協同增韌且可自修復的軟質防刺復合材料，取得了一系列研究成果(Compos Part A-Appl S 2021,106388; Compos Part B-ENG 2021,108856)。

  在目前的研究中，首先將Pluronic F127在三乙胺和丙烯酰氯的存在下誘導產生Pluronic F127DA。利用PF127DA在水溶液中自組裝成表面帶有乙烯基的聚合物膠束，然后將其用作多功能交聯劑。進而將PF127DA和彈性單體丙烯酸-2-甲氧乙基酯（MEA）進行自由基聚合，并引入納米羥基磷灰石粒子，制備納米羥基磷灰石出Pluronic/PMEA水凝膠，見圖1。在此基礎上，將納米羥基磷灰石Pluronic/PMEA水凝膠成型前的混合溶液浸漬在芳綸織物中，制備出軟質防刺復合材料。 

圖1 納米羥基磷灰石Pluronic/PMEA水凝膠合成以及軟質防刺復合材料的制備過程

圖2 納米羥基磷灰石Pluronic/PMEA水凝膠的自修復特性

從圖3中可以看出水凝膠基質和織物之間界面結合牢固。復合材料的抗穿刺、抗頂破和抗撕裂性能分別高于純芳綸織物15倍、18倍和42倍。復合材料的最大載荷遠高于純芳綸織物和純水凝膠的最大載荷的加和，證實了織物和水凝膠之間的協同作用。 

圖3 軟質水凝膠復合芳綸防刺復合材料的微觀形貌、抗穿刺、抗頂破和抗撕裂性能

  原文鏈接：

  https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106388

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108856

2、水凝膠及其織物復合材料在重金屬吸附領域的應用

  纖維或織物復合水凝膠材料已經被應用在制備高強度防護復合材料和醫用敷料領域等。由于織物具有比表面積大和孔隙率高等優勢，使水凝膠復合非織布結構在解決水凝膠吸附材料強度低、難再生等缺陷的同時高效提升了其吸附效率和吸附量。基于此，結合非織造材料優勢，制備出了一種具有快速吸附性能的凝膠復合材料，并取得了一系列研究成果(Sci Total Environ 2021 143640; J Hazard Mater 2021 125029)。

  在目前的研究中，基于PVA/P(AA-AM)互穿雙網水凝膠，通過引入PEGDMA對PVA和P(AA-AM)聚合物長鏈的結構進行調控強化，增強水凝膠三維網絡結構的機械穩定性；隨后，以等離子體處理的非織布為骨架與水凝膠復合，構建PEGDMA互穿雙網水凝膠復合非織布結構，制備了一種具有高效吸附速率和結構穩定的水凝膠復合吸附材料，見圖4。 

圖4 PVA/P(AA-AM)水凝膠復合非織布吸附材料的制備以及吸附性能

  復合材料在pH > 3的環境中，對Pb (II)和Ni(II)的去除效率皆達到95%以上，吸附動力學均符合偽二階動力學模型。在308 K時，通過Langmuir吸附等溫模型得出復合材料對Pb(II)最大吸附容量達到233.12 mg/g，對Ni(II)的吸附容量為165.06 mg/g。在298、303和308 K的吸附數據均適合Langmuir吸附模型，復合材料對于兩種離子的吸附方式主要是通過配位和離子交換。復合材料經過5次吸附-解吸附試驗后對兩種離子的去除效率仍大于90%。

  基于上述研究成果，為優化IDN水凝膠與非織布表面結合強度，并提升水凝膠復合非織布的化學穩定性、機械強度和吸附容量，在IDN水凝膠引入TMM和β-環糊精（β-CD）進行化學鍵合調控膠體三維網絡結構，并與氨解醛基化非織布結合，構建TMM/β-CD水凝膠復合材料，得到了一種無紡布復合水凝膠，見圖5。 

圖5 TMM/β-CD水凝膠復合非織布 

圖6 TMM/β-CD水凝膠復合非織布的吸附性能

  TMM 引入后最大壓縮應力提升了20%，β-CD引入使水凝膠對Pb(II)和Ni(II)的吸附量分別提升21.3%和27.3%。復合材料對Pb(II)和Ni(II)的吸附速率分別提升25%和33%，最大吸附容量達到416.07和243.10 mg/g，且經5次吸附-解吸附仍有90%的吸附效率。

  原文鏈接：

  https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.125029

  https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143640