張金玉　曲德智　王舒羽

摘 要：采用乳液聚合方法將引發(fā)劑過硫酸銨（APS）和乳化劑十二烷基硫酸鈉（SDS）制備出聚丙烯酸樹脂乳液，再加入不同條件交聯(lián)劑固化成聚丙烯酸（PAA）水凝膠，并探究使用紫外固化和熱固化2種不同固化方式及不同固化時(shí)間對(duì)PAA水凝膠性能的影響。通過氮?dú)獾葴匚摳角€測試（Brunauer-Emmet-Teller， BET）、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）、熱失重分析（thermogravimetric analysis， TGA）、溶脹度、力學(xué)測試等方法，對(duì)水凝膠的性能進(jìn)行表征分析。結(jié)果表明，形成的PAA水凝膠主要為片狀顆粒材料，在紫外固化20 min條件下，其孔徑主要分布在2～4 nm；且在熱固化條件下，當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.06、0.07 g/mL時(shí)PAA水凝膠溶脹度可達(dá)到667%，在交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.09 g/mL時(shí)拉伸強(qiáng)度可達(dá)到60 kPa。綜上所述，對(duì)比紫外固化和熱固化2種方法以及不同條件交聯(lián)劑下制備的PAA水凝膠的差異，對(duì)理解和優(yōu)化PAA水凝膠的制備具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：聚丙烯酸水凝膠；制備條件；紫外固化；熱固化

中圖分類號(hào)：TQ427.26 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.02.013

0 引言

水凝膠是一種由交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成的高分子材料，具有良好的生物相容性[1]、可調(diào)控的孔隙結(jié)構(gòu)[2]和高度可吸附水性能[3]。聚丙烯酸（PAA）水凝膠是一種重要的材料，在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)和化學(xué)工程等[4]。PAA水凝膠的結(jié)構(gòu)對(duì)其性能有著重要影響。因此，研究PAA水凝膠的結(jié)構(gòu)影響對(duì)于優(yōu)化其性能具有重要意義。

目前，PAA水凝膠的制備一般采用紫外固化和熱固化2種不同的方式。紫外固化方式具有快速、環(huán)境友好和易操作的優(yōu)勢，但其固化時(shí)間較短，可能導(dǎo)致凝膠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)較松散，影響其力學(xué)性能和穩(wěn)定性[5]。而熱固化方式固化時(shí)間較長，可以提高PAA水凝膠的交聯(lián)劑濃度和力學(xué)性能，但可能會(huì)導(dǎo)致凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)變得不均勻。紫外固化是一種常用的水凝膠制備方法，可以快速固化材料并形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，紫外固化條件對(duì)水凝膠的交聯(lián)程度和結(jié)構(gòu)有較大影響。較高的紫外光照強(qiáng)度和較長的紫外固化時(shí)間可以增加水凝膠的交聯(lián)密度和交聯(lián)效率，使材料具有更高的力學(xué)強(qiáng)度和更好的穩(wěn)定性[6]。同時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)紫外光照時(shí)間和紫外光照強(qiáng)度，可以得到具有不同孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布的水凝膠材料，以滿足不同應(yīng)用需求[7]。

熱固化是另一種常用的水凝膠制備方法，通過加熱水凝膠原料使其發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]。研究表明，熱固化條件對(duì)水凝膠的交聯(lián)程度和結(jié)構(gòu)也有較大影響。適宜的加熱溫度和時(shí)間可以提高水凝膠的交聯(lián)程度和交聯(lián)效率，從而增加材料的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性[9]。同時(shí)，不同交聯(lián)劑的選擇也會(huì)對(duì)水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生明顯影響。常用的交聯(lián)劑包括二氧化硅、土壤和有機(jī)交聯(lián)劑等[10]，它們可以調(diào)控水凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布，影響材料的吸水性能和藥物緩釋性能。在固化時(shí)間方面，長固化時(shí)間可以顯著提高PAA水凝膠的交聯(lián)劑濃度，但可能會(huì)導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)不均勻，影響其應(yīng)用性能[11]。因此，合理控制固化時(shí)間對(duì)于PAA水凝膠的制備至關(guān)重要。

交聯(lián)劑的添加量也是影響PAA水凝膠性能的重要因素。適量的交聯(lián)劑可以提高PAA水凝膠的穩(wěn)定性和機(jī)械性能，但如果添加量過多，可能會(huì)導(dǎo)致凝膠的結(jié)構(gòu)過于致密，從而降低其吸水性能和生物相容性[12]。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，紫外固化方式下制備的PAA水凝膠具有更致密和均勻的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，孔隙分布均勻，而熱固化方式下制備的PAA水凝膠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)更為開放，孔隙分布較不均勻[13]。而在機(jī)械性能方面，熱固化方式下的PAA水凝膠略優(yōu)于紫外固化方式。

綜上所述，本研究通過對(duì)不同條件下制備的PAA水凝膠的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示了固化方式、固化時(shí)間和交聯(lián)劑的添加量對(duì)PAA水凝膠性能的影響規(guī)律，可以得到具有不同性能和應(yīng)用特點(diǎn)的水凝膠材料。未來可以進(jìn)一步優(yōu)化水凝膠的制備條件和交聯(lián)劑選擇，以提高材料的力學(xué)性能、生物相容性和應(yīng)用效果，推動(dòng)PAA水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

過硫酸銨（APS），分析純，上海阿拉丁生物科技有限公司；十二烷基硫酸鈉（SDS），分析純，上海阿拉丁生物科技有限公司；丙烯酸（AA），分析純，上海阿拉丁生物科技有限公司；N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA），分析純，上海阿拉丁生物科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

Nexus-670型傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy， FT-IR），美國Nicolet儀器公司；STA 449F5同步熱分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司；phenom ProX掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM），復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司；Gemini VII 2390快速比表面積與孔隙度分析儀，麥克默瑞提克（上海）儀器有限公司；TA-3000質(zhì)構(gòu)儀，濟(jì)南賽成儀器；Lab-1A-50冷凍干燥機(jī)，博醫(yī)康儀器有限公司；電熱式干燥烘箱，上海智誠分析儀器制造有限公司。

1.3 PAA水凝膠的制備

取20.00 g的丙烯酸（AA）單體和適量的引發(fā)劑APS、乳化劑SDS、去離子水，采用一鍋法[14]制備出PAA樹脂乳液，如圖1所示。其中引發(fā)劑總量為單體的0.75%，乳化劑總量為單體的0.50%，即引發(fā)劑總量為0.15 g，乳化劑總量為0.10 g。取相同質(zhì)量的PAA樹脂乳液放入燒杯中，加入交聯(lián)劑N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）并快速攪拌均勻，經(jīng)過不同條件固化后形成PAA水凝膠，水凝膠內(nèi)部交聯(lián)形式如圖2所示，得到不同條件下的PAA水凝膠，如表1所示。將PAA水凝膠取出，用去離子水多次潤洗和浸泡，以除去未反應(yīng)的單體和水溶性雜質(zhì)。取一部分水凝膠進(jìn)行冷凍干燥，一部分水凝膠置于80 ℃恒溫干燥箱烘干至恒重，得到干凝膠，剩余水凝膠保留。將水凝膠命名為PMxUy/PMxHy（其中P為PAA樹脂乳液，M為交聯(lián)劑種類，x為交聯(lián)劑濃度，U為紫外固化方式，H為熱固化方式，y為固化時(shí)間）。

1.4 測定和表征

1）傅里葉紅外（FTIR）光譜圖表征：采用FT-IR對(duì)樹脂和PAA水凝膠進(jìn)行測試。掃描范圍為4 000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32。

2）熱穩(wěn)定性：采用熱重法測試PAA水凝膠的熱穩(wěn)定性（溫度范圍為30～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min）。

3）溶脹度檢測：取一定質(zhì)量的干凝膠置于超純水中，采用溶脹比（q）公式計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：[Ws] 為溶脹平衡時(shí)水凝膠的質(zhì)量，單位為g；[Wd] 為干凝膠的質(zhì)量，單位為g。

4）SEM表征：取烘干、冷凍干燥的水凝膠樣品在液氮環(huán)境中脆斷，利用導(dǎo)電膠將樣品粘貼在樣品臺(tái)上，在15 kV電壓下，噴金處理20 s，放入掃描電子顯微鏡真空倉內(nèi)；再在10 kV電壓、標(biāo)準(zhǔn)流束條件下，用掃描電子顯微鏡觀察凝膠表面。

5）氮?dú)馕摳綔y試：將樣品在100 ℃下脫氣處理8 h，采用BET法和BJH模型分別測定水凝膠的孔徑分布和孔徑大小。

6）拉伸性能：將PAA水凝膠切割成橫截面為10 mm[×]1 mm的長條形試樣，然后在拉伸速率為20 mm/min的電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測試?yán)鞆?qiáng)度和斷裂伸長率。

7）壓縮性能：將PAA水凝膠切割成30 mm×10 mm的圓柱形試樣，然后在壓縮速率為20 mm/min的電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測試壓縮強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 傅里葉紅外（FTIR）光譜圖分析

PAA水凝膠和PAA樹脂的紅外譜圖如圖3所示，可以看出2條譜圖主要特征峰為位于3 436 cm-1處的—OH伸縮振動(dòng)峰和位于1 633 cm-1的—C=O伸縮振動(dòng)峰，以及位于1 369 cm-1的—CH彎曲振動(dòng)峰，這表明通過乳液聚合法制備出的PAA樹脂的反應(yīng)基本完成。此外，PAA水凝膠位于1 531 cm-1的吸收峰是由—NH彎曲振動(dòng)造成的，而PAA樹脂沒有此處振動(dòng)峰，由于引入的MBA含量較少，此處峰面積較小。

2.2 熱性能分析

熱重分析（thermogravimetric analysis， TGA）是在溫度控制下和不同氣氛中測量樣品的質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)溫度關(guān)系的一種技術(shù)，用以表征材料的熱穩(wěn)定性。（圖4）。

不同條件下固化的PAA水凝膠的熱降解類似，主要分為3個(gè)階段，其中在100.0 ℃附近，干燥水凝膠的重量損失，是因?yàn)闅堄嗨值恼舭l(fā)；在170.0～400.0 ℃時(shí)，水凝膠的初始熱解溫度是171.8 ℃，開始時(shí)，其有少量的熱降解損失，降解的部分主要是水凝膠未完全交聯(lián)的支鏈部分；在313.8 ℃后，熱降解損失的質(zhì)量主要是水凝膠交聯(lián)主體，水凝膠的最大分解速率溫度在351.1 ℃。對(duì)于不同條件下固化PAA水凝膠來說，不同交聯(lián)劑濃度產(chǎn)生的PAA水凝膠的初始熱降解溫度并無太大區(qū)別，殘?zhí)剂繒?huì)有一定差別。由圖4可知，交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.10 g/mL、紫外固化10 min的殘?zhí)剂孔罡?，交?lián)劑質(zhì)量濃度為0.04 g/mL、紫外固化10 min的殘?zhí)剂孔畹汀＿@說明PAA水凝膠的熱穩(wěn)定性與不同條件制備PAA水凝膠的影響有關(guān)，隨著交聯(lián)劑濃度的增加，水凝膠的殘?zhí)剂吭礁撸瑲執(zhí)剂吭礁哒f明水凝膠在高溫下產(chǎn)生的氣態(tài)物少，且形成的碳層能覆蓋于高聚物表面起保護(hù)作用，提高了耐熱耐燒蝕性能。

2.3 溶脹度

水凝膠的溶脹吸水過程主要是一個(gè)物理化學(xué)過程，通過氫鍵作用、物理滲透、高分子鏈基團(tuán)作用，可以將水吸入水凝膠內(nèi)部。離子滲透壓、水的親和力、交聯(lián)密度對(duì)凝膠的溶脹性能有很大影響，離子滲透壓是影響水凝膠吸水能力的主要因素之一。水凝膠的三維立體多孔結(jié)構(gòu)使其具備強(qiáng)吸水性能，從高分子鏈分析，羥基、氨基、羧基以及酰胺基等親水性基團(tuán)，本身就具備吸水性能，它們會(huì)形成滲透壓，其離子基團(tuán)間的靜電斥力也會(huì)影響其溶脹性能。為了測試水凝膠的溶脹性能，將水凝膠置于去離子水中至溶脹平衡，故由此測得不同交聯(lián)劑質(zhì)量濃度下的溶脹率，如圖5所示。隨著交聯(lián)劑質(zhì)量濃度的增加，水凝膠的溶脹度逐漸降低又略有回升。交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.02、0.03 g/mL的水凝膠溶脹度分別為21 492%、6 557%，水凝膠表現(xiàn)出過大的超吸水性，機(jī)械強(qiáng)度不高，具有過大的超溶脹性。當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.04、0.05 g/mL時(shí)，溶脹度分別為1 148%和1 142%，水凝膠的溶脹度隨交聯(lián)劑質(zhì)量濃度的增加而減少，但仍表現(xiàn)為超溶脹性。Cheng等[15]制備的聚丙烯酸-丙烯酰胺復(fù)合水凝膠通過檢測引發(fā)劑、交聯(lián)劑對(duì)水凝膠吸水性的影響，結(jié)果表明溶脹度最大為600%。而PAA水凝膠在不出現(xiàn)超溶脹度的情況下，溶脹度在交聯(lián)質(zhì)量濃度為0.06和0.07 g/mL時(shí)達(dá)到最大，均為667%，溶脹度表現(xiàn)為PM6H1 =PM7H1 >PM8H1 >PM10H1 >PM9H1。因此，在熱固化2 h且交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.06和0.07 g/mL的PAA水凝膠在去離子水中擁有最佳的溶脹度。

2.4 水凝膠微觀形貌

在交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、紫外固化20 min條件下，可清晰看到水凝膠內(nèi)部呈層狀分布，放大后呈現(xiàn)三維孔狀結(jié)構(gòu)，如圖6所示，與交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.06 g/mL、紫外固化20 min形成的PAA水凝膠相比（圖4（c）、圖4（d）），孔徑大且分布不均勻，交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.06 g/mL水凝膠的孔徑多數(shù)<2 mm。因此，交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.06 g/mL水凝膠呈現(xiàn)出豐富的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑多數(shù)<2 mm，這樣高度多孔材料可以提供豐富的水通道，有利于水分子的進(jìn)入，提高保水能力。這說明，通過交聯(lián)劑濃度的增加，孔徑均勻縮小，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。

2.5 氮?dú)獾葴匚摳椒治觯˙ET）和孔結(jié)構(gòu)分析

從圖7（a）可以看出，在交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)形成的PAA水凝膠中，由4種固化方式固化的水凝膠都呈現(xiàn)具有代表性的IV曲線，均具有滯后環(huán)和向上的尾環(huán)。這說明交聯(lián)度為5%時(shí)在4種不同固化方式下固化的PAA水凝膠的孔結(jié)構(gòu)均有豐富的微孔、介孔和少量的大孔存在。其中PM5H1水凝膠在低壓力區(qū)（0

2.6 水凝膠的拉伸壓縮性能

PAA水凝膠通過圖8（a）的拉伸測試發(fā)現(xiàn)，PM9U2的拉伸強(qiáng)度最大，可達(dá)到60 kPa，隨之較強(qiáng)的是PM7U2和PM9U1，可達(dá)到30～40 kPa。這是因?yàn)樗z的拉伸性能主要與其內(nèi)部形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越緊實(shí)，拉伸應(yīng)力越強(qiáng)。PM5U1與PM5U2拉伸應(yīng)變最大，可超過150%，交聯(lián)程度越低，拉伸應(yīng)變越大，剛性越低，柔性越強(qiáng)。由圖8（b）壓縮測試發(fā)現(xiàn)，除PM6U1之外，其他壓縮強(qiáng)度均可達(dá)到0.35～0.60 MPa，其中PM8U1、PM9U1的壓縮強(qiáng)度最強(qiáng)，PM8U1、PM7U2的壓縮彈性模量最高，表明相比紫外固化10 min的水凝膠，紫外固化20 min的水凝膠交聯(lián)強(qiáng)度太大，表現(xiàn)出水凝膠抗壓能力不強(qiáng)；且隨著交聯(lián)劑濃度的增加，壓縮強(qiáng)度會(huì)隨之加強(qiáng)后又隨之減弱，說明交聯(lián)強(qiáng)度在0.08 g/mL時(shí)最佳。本文制備的PAA水凝膠為單網(wǎng)絡(luò)水凝膠，力學(xué)強(qiáng)度較弱，可通過適當(dāng)改性提高機(jī)械強(qiáng)度。Wei等[21]為提供優(yōu)異機(jī)械性能將殼聚糖與聚丙烯酸交聯(lián)，制備出聚丙烯酸/殼聚糖納米粒子網(wǎng)絡(luò)水凝膠（PAAc/CS NNHs），獲得的最大拉伸強(qiáng)度為2.22 MPa，壓縮強(qiáng)度為10.61 MPa。Mu等[22]采用綠色LED照射，通過光聚合快速制備了聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）/海藻酸鈉（P（AAMco-AAC）/SA）水凝膠，再通過浸泡單寧酸制備出聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）/海藻酸鈉/單寧酸（P（AAM-co-AAC）/SA/TA）水凝膠，結(jié)果顯示，斷裂伸長率和拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到862%和0.77 MPa，表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能。

3 結(jié)論

本文主要研究了熱固化和紫外固化2種方式以及固化時(shí)間對(duì)PAA水凝膠性能的影響。通過FTIR、TGA分析發(fā)現(xiàn)PAA水凝膠在紫外固化且交聯(lián)劑濃度越大時(shí)耐熱耐燒蝕性能越好；通過溶脹度、SEM、BET實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)在交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為0.06、0.07 g/mL、熱固化2 h時(shí)，PAA水凝膠溶脹度最佳，且呈現(xiàn)多層片狀多孔結(jié)構(gòu)，并在紫外固化條件下存在更多的微孔結(jié)構(gòu)，介孔分布最為均勻，主要分布在2～4 nm；進(jìn)一步通過測量拉伸和壓縮測試來探究其機(jī)械強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)較長的固化時(shí)間可以顯著提高聚丙烯酸水凝膠的交聯(lián)劑濃度，但會(huì)使水凝膠的脆性增加，力學(xué)性能反而會(huì)減小。

綜上所述，通過對(duì)不同條件下制備的PAA水凝膠的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行研究，揭示了固化方式、固化時(shí)間和交聯(lián)劑的添加量對(duì)PAA水凝膠性能的影響規(guī)律。分析表明交聯(lián)劑質(zhì)量濃度在0.07～0.09 g/mL且熱固化2 h對(duì)于優(yōu)化PAA水凝膠的制備具有一定的指導(dǎo)意義，可提高其力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] SENNAKESAVAN G，MOSTAKHDEMIN M，DKHAR L K，et al. Acrylic acid/acrylamide based hydrogels and its properties-a review[J]. Polymer Degradation and Stability，2020，180：109308.

[2] LIU Y D，LUO X，WU W，et al. Dual cure （thermal/photo）composite hydrogel derived from chitosan/collagen for in situ 3D bioprinting[J]. International Journal of Biological Macromolecules，2021，182：689-700.

[3] HILLER A，BORCHERS K，TOVAR G E M，et al. Impact of intermediate UV curing and yield stress of 3D printed poly（ethylene glycol）diacrylate hydrogels on interlayer connectivity and maximum build height[J]. Additive Manufacturing，2017，18：136-144.

[4] 許雨晴，胡孝勇，柯勇，等. UV固化多官能度聚氨酯丙烯酸酯涂料的制備與性能研究[J]. 聚氨酯工業(yè)，2015，30（5）：26-29.

[5] SONG H Y，XING L，LIU W T，et al. Biomimetic and multifunctional hemostatic hydrogel with rapid thermoresponsive gelation and robust wet adhesion for emergency hemostasis：a rational design based on photo-cross-linking coordinated hydrophilic-hydrophobic balance strategies[J]. Biomacromolecules，2023，24（7）：3327-3344.

[6] HU H Q，REN Z，XI Y，et al. Insights into the role of cross-linking agents on polymer template effect：a case study of anionic imprinted polymers[J]. Chemical Engineering Journal，2021，420：129611.

[7] 孔文佳. 聚丙烯酸基水凝膠復(fù)合材料的功能化改性及應(yīng)用[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2021.

[8] 趙瑾，賀慧寧，成國祥. HPMC凝膠模板誘導(dǎo)羥基磷灰石的合成[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41（7）：839-842.

[9] PATEL D K，GANGULY K，DUTTA S D，et al. Multifunctional hydrogels of polyvinyl alcohol/polydopamine functionalized with carbon nanomaterials as flexible sensors[J]. Materials Today Communications，2022，32：103906.

[10] YARYSHEVA A Y，DOLGOVA A A，YARYSHEVA L M，et al. Hydrophilization of polypropylene films by poly（ethylene oxide）via intercrystallite crazing[J]. Mendeleev Communications，2020，30（4）：507-508.

[11] 席征，蒿銀偉，張志國，等. 化學(xué)交聯(lián)聚乙二醇水凝膠的制備方法[J]. 化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2011，9（3）：36-43.

[12] TNIBAR A. Intra-articular 2.5% polyacrylamide hydrogel，a new concept in the medication of equine osteoarthritis：a review[J]. Journal of Equine Veterinary Science，2022，119：104143.

[13] KUMARASWAMY G. Thermodynamics of high polymer solutions[J]. Resonance，2017，22（4）：415-426.

[14] SUDA A，KUMATANI N，MORIKAWA A，et al. Fabrication of ultrafine cerium oxide nanoparticles as an aqueous colloidal solution with single-molecular dispersant via shear agitation reactor or one-pot hydrolysis[J]. Advanced Powder Technology，2023，34（11）：104232.

[15] CHENG W M，HU X M，ZHAO Y Y，et al. Preparation and swelling properties of poly（acrylic acid-co-acrylamide）composite hydrogels[J]. e-Polymers，2017，17（1）：95-106.

[16] ZHANG R J，LIU B J，MA J，et al. Preparation and characterization of carboxymethyl cellulose/chitosan/alginic acid hydrogels with adjustable pore structure for adsorption of heavy metal ions[J]. European Polymer Journal，2022，179：111577.

[17] ZHANG B，CHEN Y L. Particle size effect on pore structure characteristics of lignite determined via low-temperature nitrogen adsorption[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2020，84：103633.

[18] ZHANG Y H，XU Q，WANG F Y，et al. Enzyme powered self-assembly of hydrogel biosensor for colorimetric detection of metabolites[J]. Sensors and Actuators B：Chemical，2023，375：132942.

[19] CAO X X，WANG R Y，PENG Q，et al. Effect of pore structure on the adsorption capacities to different sizes of adsorbates by ferrocene-based conjugated microporous polymers[J]. Polymer，2021，233：124192.

[20] YU J W，LIN Y F，WANG G W，et al. Zein-induced immune response and modulation by size，pore structure and drug-loading：application for sciatic nerve regeneration[J]. Acta Biomaterialia，2022，140：289-301.

[21] WEI X L，LIU C K，GU Z X，et al. Multifunctional Poly（acrylic acid）/Chitosan nanoparticle network hydrogels with tunable mechanics[J]. Applied Materials Today，2022，29：101696.

[22] MU D N，XING J F. The preparation of double network hydrogel with high mechanical properties by photopolymerization under the green LED irradiation and enhancement of wet adhesion by tannic acid[J]. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects，2023，671：131656.

The structure and properties of polyacrylic acid hydrogels under

different preparation conditions

ZHANG Jinyu1， QU Dezhi*1，2， WANG Shuyu1

（1. School of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2. Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources（Guangxi University of

Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstract： The polyacrylic acid resin emulsion was prepared by emulsion polymerization with the initiator ammonium persulfate （APS） and the emulsifier sodium dodecyl sulfate （SDS）， and then cured into polyacrylic acid （PAA） hydrogels by adding cross-linking agents under different conditions. The effects of using two different curing methods， UV curing and thermal curing， and different curing times on the properties of PAA hydrogels were also investigated. The properties of the hydrogels were characterized and analyzed by nitrogen isothermal adsorption and desorption curve test （Brunauer-Emmet-Teller，BET）， scanning electron microscopy（SEM）， thermogravimetric analysis（TGA）， solubility， and mechanical test. The results showed that the formed PAA hydrogels were mainly flaky particles， and the pore size was mainly distributed in 2～4 nm under UV curing for 20 min; and the swelling degree of PAA hydrogels with crosslinking agent concentration of 0.06 and 0.07 g/mL under thermal curing could reach 667%， and the tensile strength of PAA hydrogels with crosslinking agent concentration of 0.09 g/mL could reach 60 kPa. Therefore， comparing the different methods of UV and thermal curing as well as conditions of crosslinking agent in the preparation of PAA hydrogels is conducive to the understanding and optimization of the preparation of PAA hydrogels.

Keywords： polyacrylic acid （PAA） hydrogels; preparation conditions; UV curing; heat curing

（責(zé)任編輯：于艷霞）

收稿日期：2023-10-06；修回日期：2023-11-09

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（2209028）；廣西科技基地和人才專項(xiàng)項(xiàng)目（桂科AD21075032）；廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2021KY0359）；研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（GKYC202236）資助

第一作者：張金玉，在讀碩士研究生

*通信作者：曲德智，博士，講師，研究方向：功能高分子材料，E-mail：qudezhi199166@outlook.com