水凝胶材料是由高分子长链经过交联的聚合物链大分子网络，基于不同长链或单体含有的特定基团合成的水凝胶可以响应不同温度、pH和电场环境下的变化，以此可以应用在不同领域。基于此，天津工业大学李婷婷副教授团队与台湾逢甲大学林佳弘特聘教授和台湾亚洲大学楼静文特聘教授合作，通过凝胶结构设计开发并制备了可应用于防刺防护和重金属污染物吸附领域的水凝胶及其复合材料，相关系列成果已发表在Compos Part A-Appl S、Compos Part B-Eng、Sci Total Environ和J Hazard Mater等期刊。

1、水凝胶基质软质防刺复合材料的研究进展

  目前对于软质防刺材料的研究多采用剪切增稠流体浸渍织物的方式，然而这种防刺材料被破坏后无法再次利用，因此亟需开发一种柔韧并且可二次利用的软质防刺材料。基于此，利用高性能纤维材料和高强凝胶结合界面优势，提出了一种软质复合材料的设计策略，制备出了凝胶-织物协同增韧且可自修复的软质防刺复合材料，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，首先将Pluronic F127在三乙胺和丙烯酰氯的存在下诱导产生Pluronic F127DA。利用PF127DA在水溶液中自组装成表面带有乙烯基的聚合物胶束，然后将其用作多功能交联剂。进而将PF127DA和弹性单体丙烯酸-2-甲氧乙基酯（MEA）进行自由基聚合，并引入纳米羟基磷灰石粒子，制备纳米羟基磷灰石出Pluronic/PMEA水凝胶，见图1。在此基础上，将纳米羟基磷灰石Pluronic/PMEA水凝胶成型前的混合溶液浸渍在芳纶织物中，制备出软质防刺复合材料。 

图1 纳米羟基磷灰石Pluronic/PMEA水凝胶合成以及软质防刺复合材料的制备过程

图2 纳米羟基磷灰石Pluronic/PMEA水凝胶的自修复特性

从图3中可以看出水凝胶基质和织物之间界面结合牢固。复合材料的抗穿刺、抗顶破和抗撕裂性能分别高于纯芳纶织物15倍、18倍和42倍。复合材料的最大载荷远高于纯芳纶织物和纯水凝胶的最大载荷的加和，证实了织物和水凝胶之间的协同作用。 

图3 软质水凝胶复合芳纶防刺复合材料的微观形貌、抗穿刺、抗顶破和抗撕裂性能

  原文链接：

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

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

2、水凝胶及其织物复合材料在重金属吸附领域的应用

  纤维或织物复合水凝胶材料已经被应用在制备高强度防护复合材料和医用敷料领域等。由于织物具有比表面积大和孔隙率高等优势，使水凝胶复合非织布结构在解决水凝胶吸附材料强度低、难再生等缺陷的同时高效提升了其吸附效率和吸附量。基于此，结合非织造材料优势，制备出了一种具有快速吸附性能的凝胶复合材料，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)互穿双网水凝胶，通过引入PEGDMA对PVA和P(AA-AM)聚合物长链的结构进行调控强化，增强水凝胶三维网络结构的机械稳定性；随后，以等离子体处理的非织布为骨架与水凝胶复合，构建PEGDMA互穿双网水凝胶复合非织布结构，制备了一种具有高效吸附速率和结构稳定的水凝胶复合吸附材料，见图4。 

图4 PVA/P(AA-AM)水凝胶复合非织布吸附材料的制备以及吸附性能

  复合材料在pH > 3的环境中，对Pb (II)和Ni(II)的去除效率皆达到95%以上，吸附动力学均符合伪二阶动力学模型。在308 K时，通过Langmuir吸附等温模型得出复合材料对Pb(II)最大吸附容量达到233.12 mg/g，对Ni(II)的吸附容量为165.06 mg/g。在298、303和308 K的吸附数据均适合Langmuir吸附模型，复合材料对于两种离子的吸附方式主要是通过配位和离子交换。复合材料经过5次吸附-解吸附试验后对两种离子的去除效率仍大于90%。

  基于上述研究成果，为优化IDN水凝胶与非织布表面结合强度，并提升水凝胶复合非织布的化学稳定性、机械强度和吸附容量，在IDN水凝胶引入TMM和β-环糊精（β-CD）进行化学键合调控胶体三维网络结构，并与氨解醛基化非织布结合，构建TMM/β-CD水凝胶复合材料，得到了一种无纺布复合水凝胶，见图5。 

图5 TMM/β-CD水凝胶复合非织布 

图6 TMM/β-CD水凝胶复合非织布的吸附性能

  TMM 引入后最大压缩应力提升了20%，β-CD引入使水凝胶对Pb(II)和Ni(II)的吸附量分别提升21.3%和27.3%。复合材料对Pb(II)和Ni(II)的吸附速率分别提升25%和33%，最大吸附容量达到416.07和243.10 mg/g，且经5次吸附-解吸附仍有90%的吸附效率。

  原文链接：

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

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