双网络水凝胶的机械性能研究

水凝胶是一种具有亲水性的三维网络交联结构的高分子网络体系。水凝胶性质柔软，能保持一定的形状，在一定条件下吸收或者释放大量水分，同时自身对环境友好，不会造成大气环境、水环境、土壤环境的污染，因此，近年来它作为一种环保型的功能材料，越来越多的被应用于工农生活等各个领域。

研究水凝胶这个领域是一个多学科交叉课题，将涉及力学，物理，化学，材料，生命科学等，是当今最具有挑战的高技术前沿研究领域之一。在汉斯出版社《自然科学》期刊中，有论文在分子动力学和蒙特卡洛模拟的分子模拟基础上，利用PEOSN和PAASN两种单网络水凝胶聚合成PEO-PAADN水凝胶进行水凝胶的性能研究。

水凝胶是水膨胀的亲水聚合物网络，含有大量的水。然而传统的水凝胶太脆，在比较低的应力或应变下会发生断裂，在一定程度上限制了水凝胶的应用。因此，研究者们开展了大量研究工作，开发出了由两层单网络凝胶合成的双网络水凝胶，极大的提升了水凝胶的机械性能。有学者报告了其构成的双DN水凝胶比单个DN凝胶的断裂能力大20倍。双网络水凝胶优异的机械性能和韧性是用于农用薄膜的好材料，同时超强的吸水能力在土壤固水方面也有较好前景。

在单网络凝胶中，聚环氧乙烷(PEO)和聚丙烯酸(PAA)水凝胶都具有较低的毒性和超强的亲水性，正是农业中稀缺的材料，但其机械脆性阻碍了其应用。本文利用分子动力学模拟软件LAMMPS构建了PEO和PAA两种SN水凝胶，并且利用这两种单网络水凝胶聚合了PEO-PAADN水凝胶，在原子级别模拟的基础上，针对这两种单网络水凝胶和双网络水凝胶(PEO-PAADN)的机械性能做了探究，为我们进一步研究水凝胶材料应用于农业生产打下了坚实的基础。

通过水凝胶的机械强度评估模型，采用单轴拉伸模拟的方法对水凝胶的力学性能做了探究。绘制双网络水凝胶的应力应变曲线，得出在应变小于100%时，DN水凝胶的应力相当于两个SN水凝胶的应力之和；应变大于100%时，DN水凝胶的应力开始突变，两层单网络水凝胶表现出协同效应。而这种突变是由于PEO的分子量较小，使得PEO网络在DN水凝胶中提前达到了完全伸展。进一步从能量的角度进行分析，发现应变超过150%时，DN水凝胶中角弯曲能和健拉伸能开始显著增加，可以判定DN水凝胶应力突变的主要原因是键拉伸能和角弯能引起的。

我们可以得出，双网络水凝胶的机械强度明显高于两个单网络水凝胶之和，是由于使用了两个分子量不同的SN水凝胶，且分子量值较小的组分对提高DN水凝胶的机械强度起主导作用。通过控制SN网络的分子量可以提高DN水凝胶的机械性能。在此的讨论，让我们更好地了解双网络水凝胶的机械强度，也为进一步的研究水凝胶在农用薄膜上的研究打下基础。

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