纤维素水凝胶的合成及其结构和性能表征 周金平，常春雨，董首成，张俐娜

武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072，E-mail: jp.zhou@263.net

Figure 1. SEM micrographs of gel cross sections of the cross-linked cellulose hydrogels. 水凝胶是一类有广泛用途的高分子材料[1, 2]。纤维素由于具有很强的分子内和

分子间氢键，难溶于水和普通的有机溶剂，因此纤维素类水凝胶通常是用水溶性

纤维素衍生物通过化学和物理交联制得[3, 4]。前文开发出一种廉价、无污染的纤维

素新溶剂——NaOH/尿素水溶液[5]。本工作利用这一水溶液体系由纤维素通过“一

步法”直接制备水凝胶，并通过扫描电镜、红外光谱、固体核磁共振、紫外-可见

光谱仪、吸水性试验表征其形貌、结构和性能。

通过冷冻－解冻的方法将纤维素直接溶解在6wt％NaOH/4wt%尿素水溶液中

制得透明溶液。室温下缓缓滴加环氧氯丙烷到纤维素溶液中，然后升高温度至50

°C继续反应一段时间即得到水凝胶。这类纤维素水凝胶为无色、透明，具有很好

的光学透明度和良好的机械强度。扫描电镜照片（图1）示出五种水凝胶试样均表

现出均匀的大孔网络结构，孔尺寸在2 ~ 3 µm之间。正是由于这种“大孔”结构

以及纤维素分子链上丰富的羟基使它们具有很好的吸水功能。25 °C时，Gel-1、

Gel-2、Gel-3、Gel-4和Gel-5的溶胀比分别为59.1、57.5、53.6、31.6和45.3 g-H2O/g-

干凝胶。随温度升高，水凝胶的溶胀比呈缓慢下降趋势。对于相同浓度纤维素溶

液和等量交联剂制备的水凝胶，随着反应时间的延长，溶胀比降低。这可能是因

为水凝胶的交联度随时间有所增大导致。此外，凝胶的强度与其溶胀比相反，即

05001000150020002500300035004000020406080100

Water uptake (%)

Time (min) Gel-1 Gel-2 Gel-3 Gel-4 Gel-5

Figure 2. The water uptake of the

cross-linked cellulose hydrogels at 25 ℃ 溶胀比越小，凝胶强度越大。图2示

出干水凝胶试样再溶胀时的吸水率

随时间依赖关系。初期，水凝胶的吸

水速率相当快，然而随着时间的延

长，吸水速率变得越来越缓慢，最后

达到溶胀平衡。其中，Gel-1达到溶

胀平衡的时间最短，约80 min；而

Gel-4达到溶胀平衡的时间需要几

天。值得注意的是，这些水凝胶在达

到溶胀平衡时表现出不同的吸水率。

其中，Gel-4的吸水率可恢复到原来的90%以上，Gel-3和Gel-5的最大吸水率可以

达到80%以上，Gel-2的吸水率可恢复到70％。然而，Gel-1达到溶胀平衡后的吸

水率极低，仅为原来的22％。这一规律与水凝胶的溶胀比相反。本工作提供了一

种制备纤维素水凝胶的简便、价廉的新途径，而且在生物、医药和食品等领域具

有应用前景。

主要参考文献

[1] Z. B. Hu, Y. Y. Chen, C. J. Wang, Y. D. Zheng, Y. Li, Nature, 1998, 393, 149.

[2] N. A. Peppas, Ed.;Volumes I. II, and III. CRC: Boca Raton, FL, 1986.

[3] D. Capitani, M. A. Del Nobile, G. Mensitieri, et al., Macromoleules, 2000, 33, 430.

[4] A. Nakayama, J. P. Gong, Y. Osada, et al., Adv. Funct. Mater., 2004, 14, 1124.

[5] J. Zhou, L. Zhang, Polym. J., 2000, 32, 866.

致谢

本工作得到国家863计划（2004AA649250）、国家自然科学基金（20204011）

和中科院广州化学研究所纤维素重点实验室开放基金的资助。

Synthesis, structure and properties of cellulose hydrogels Jinping Zhou, Chunyu Chang, Shouchen Dong, Lina Zhang

Department of Chemistry, Wuhan University, Wuhan 430072, E-mail: jp.zhou@263.net

A series of novel cellulose hydrogels were prepared through one-step way from

cellulose by using chloride propylene epoxide as crosslinking agent. Morphology and

properties of the hydrogels were characterized with UV-Vis，NMR, FT-IR, scanning

electron microscopy and water absorption testing. The result showed that the hydrogels

have excellent mechanical strength and optics transparence. The cellulose hydrogels

have good ability for water absorption; because of theirs macroporous structure and the

cellulose chains contain abundant hydroxyl groups. The swelling ratio of Gel-1, Gel-2,

Gel-3, Gel-4 and Gel-5 at 25 °C was 59.1, 57.5, 53.6, 31.6 and 45.3 g-H2O/g-dry hydrogels, respectively; and the swelling ratio slowly decreased with an increase of

temperature. The re-swelling rate of dry hydrogels in water were proportional to theirs

swelling ratio, and the water uptake of Gel-4 was above 90%. This work provided a

simple and fast method for preparing cellulose hydrogels.

Keywords: Cellulose hydrogel, Mcroporous structure, Swelling ratio, Water uptake 纤维素水凝胶的合成及其结构和性能表征作者：周金平， 常春雨， 董首成， 张俐娜作者单位：武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

1. 蔡杰.张俐娜.周金平.陈辉.金惠明 新型再生纤维素纤维的制备和表征[会议论文]-20042. 蔡杰.张俐娜.周金平.祁海松.陈辉.Tetsuo Kondo.陈续明.朱鹏年 NaOH/尿素水体系制备新型纤维素丝结构与性能[会议论文]-20063. 周金平.蔡杰.张俐娜 光散射和粘度法表征纤维素在NaOH/尿素水溶液中的行为[会议论文]-20034. 周金平.宋勇波.刘石林.张俐娜.蔡文华 氰乙基纤维素的合成及其结构和物性[会议论文]-20065. 蔡杰.张俐娜 新型再生纤维素纤维的结构与性能[会议论文]-20056. 蔡杰.张俐娜 纤维素/NaOH/尿素水溶液的独特流变行为[会议论文]-2005 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Conference_6331519.aspx