高强度双网络高分子水凝胶：性能、进展及展望

作为一种虽然含有90wt%的水,但力学强度高达数十兆帕的高分子水凝胶材料,双网络（double network,DN）设计思路对大幅度提高水凝胶力学性能以及推动其在生物材料中应用研究意义重大.近年来高强度DN凝胶研究不断取得令人注目的进展,在DN凝胶概念的基础上,设计合成了天然和仿生DN凝胶、低摩擦和低磨损DN凝胶以及细胞亲和性高强度水凝胶,并研究了DN凝胶的生物相容性和诱导关节软骨再生等生物材料性能.高强度、多功能DN凝胶在生物材料中的研究极大地扩展了高分子水凝胶材料的应用范围.本文综述了DN凝胶的设计思路,分析了影响其性能的因素,并对其未来发展进行了展望.     

高韧温敏复合水凝胶仿生变色鱼

韧性水凝胶具有超大弹性变形、高韧性、高透光性、良好的生物相容性等优势,在生物医疗、柔性电子、驱动传感、软机器等领域具有广泛应用前景.本文针对海洋生物的变色功能进行仿生模拟,合成了PAAMAlginate韧性水凝胶和PNIPAM温敏水凝胶,采用3D打印技术制作了仿生结构模具,通过倒模制备了高韧温敏复合水凝胶仿生鱼.制备的仿生鱼在常温下能与水体环境良好融合,在外界温度升高时可改变自身透明度和颜色,模拟海洋生物受外界刺激后的伪装行为.另外,该仿生鱼具有高韧性,在受到弯曲、扭转、冲击及印压作用后仍能恢复初始形状,无明显损伤.本文设计的高韧温敏复合水凝胶在软体仿生领域极具潜力,可为未来共融机器人的研发提供新思路.     

海藻酸-纳米羟基磷灰石构建可降解原位成型水凝胶

可注射原位成型水凝胶支架材料能填充任意形状的缺损, 并在很大程度上降低植入对机体组织的侵入性, 且方便与药物和活性物质复合. 采用原位释放法将海藻酸钠与纳米羟基磷灰石复合构建了可降解的原位成型水凝胶, 体系的凝胶化时间10~15 min, 材料具有多孔结构, 孔径20~300 µm, 孔内及孔壁上有大量羟基磷灰石晶体连续均匀分布. 体内植入试验证明该水凝胶材料可实现原位成型且具有良好的细胞相容性和组织相容性.     

厚度可控蛋白质印迹海藻酸钙水凝胶膜的制备和表征

以牛血清白蛋白(BSA)为模板,海藻酸钠(NaAlg)为主要原料,通过钙离子交联制备了BSA印迹海藻酸钙(CaAlg)水凝胶膜.通过自制的缠绕不同直径铜丝的玻璃棒控制膜的厚度.采用扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜和3D超景深显微镜对BSA印迹海藻酸钙水凝胶(CaAlgMIP)膜的表面形貌进行表征.研究了铜丝直径与得到的CaAlgMIP膜厚度之间的关系.研究了不同NaAlg浓度制备的CaAlgMIP膜的力学性能.用圆二色光谱研究了洗脱后BSA的构象.探讨不同洗脱液制备的不同厚度CaAlgMIP膜对BSA的吸附性能.结果表明,CaAlgMIP膜对BSA的吸附量明显优于非印迹膜.MIP膜制备和洗脱过程未改变蛋白质的构象.CaAlgMIP制备简单,厚度可控,成本低,生物相容性好,在药物释放、细胞培养和组织工程领域具有良好应用前景.     

(火积)方法在低品位工业余热利用的换热网络优化中的应用研究

低品位工业余热的有效利用对提高能源利用效率、减少CO_2排放具有重要意义,能量系统集成和相应的换热网络优化是余热利用的有效方法.(火积)方法可以量化换热过程中的不可逆性,能够指导和评价换热网络的优化,但是(火积)方法在余热利用的换热网络优化中的实际应用案例较为缺乏.本文基于(火积)方法对某工业园区蒸汽凝水余热利用的既有换热网络进行了分析,通过减小换热过程(火积)耗散的原理进行了换热网络优化,使得高品位余热用于驱动吸收式制冷机满足当地的空调制冷需求,将高品位余热排放转换为低品位余热排放.优化的换热网络指导了实际蒸汽凝水余热利用工程改造.实验测试结果表明,采用的海水直接冷却的吸收式制冷机的制冷量达到3430 kW, COP达到0.76.蒸汽凝水换热过程的(火积)耗散降低了57.3%,蒸汽凝水余热利用的热效率和?效率分别提升了55.8%和81.1%,验证了(火积)方法在低品位余热利用换热网络优化中应用的有效性.     

新型纳米复合水凝胶的可控制备及应用

纳米复合水凝胶作为一种柔性有机无机两相复合材料,充分利用了水凝胶及无机纳米粒子各自的物理化学功能以及两者之间的协同增益作用,从而可适应于更复杂的应用条件及满足更多样化的应用需求.本文综述了新型纳米复合水凝胶可控制备的设计思路以及在探测检测、环境保护、能源开发、生物医学等领域方面的应用,并对其未来发展进行了展望.     

SiO_2气凝胶对废水中硝基苯的吸附性能研究

选用疏水型SiO2气凝胶作为吸附剂,研究SiO2气凝胶对废水中硝基苯的吸附性能,考察溶液的pH值、温度、吸附时间、SiO2气凝胶添加量等因素对吸附率的影响,并结合Freundlich等温吸附方程,探讨SiO2气凝胶对溶液中硝基苯的吸附规律和吸附机理.结果表明,最佳吸附条件为温度25℃,pH8.35,SiO2气凝胶的添加量为3.33 g/L、振荡时间为30 min,此时疏水型SiO2气凝胶对废水中硝基苯的吸附率可达68.76%,吸附容量可达7.29 mg/g.SiO2气凝胶对废水中硝基苯的吸附性能与气凝胶的疏水性、有机溶液比表面积以及气凝胶的结构特性有关.     

Science China Technological Sciences 2023年66卷第2期中文摘要

<正>新型可持续耐久型梁柱节点在低周往复和冲击荷载作用下力学性能研究郝洪, Tuan T. Ngo, Thong M. Pham, Huawei Li本文对一种新型的装配式梁柱节点在地震和冲击荷载作用下的力学性能进行研究,该梁柱节点采用耐腐蚀纤维增强聚合物(FRP)螺栓和加强筋、纤维增强混凝土(FRC)和地聚物混凝土(GPC)等新型建筑材料加工组成,从而实现可持续性和耐用性的目的.为分析该梁柱节点的韧性、耐用性、可持续性和抗多灾害的能力,通过低周往复加载和摆锤冲击加载方式开展试验研究.试验结果表明：该文提出的新型装配式梁柱节点在低周往复和冲击荷载下具有与传统现浇混凝土节点相当甚至更优的力学性能.另外该文还采用有限元分析软件ABAQUS开展数值分析,优化并确定装配式节点的混凝土端板(CEP)的合理厚度,分析和量化了节点的应力分布、能量吸收性能和应力状态等力学性能.此外,讨论了不同荷载工况下,不同参数对节点力学性能的影响.     

多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶的制备及其电化学性能

以NH_4VO_3为原料,通过180℃下水热反应和550℃下NH_3处理制备了多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶,并对多孔VN纳米带气凝胶的电化学性能进行了分析.SEM和TEM分析表明所制备的多孔VN纳米带的宽度为100~400 nm,孔尺寸为10~20 nm.电化学阻抗谱分析表明多孔VN纳米带气凝胶对I3.还原反应具有很高的催化活性,电荷迁跃电阻为1.36Ωcm~2.用多孔VN纳米带气凝胶电极组装的染料敏化太阳电池的光电转换效率为7.05%,与传统的Pt电极电池相近.循环伏安和恒流充放电实验表明多孔VN纳米带气凝胶具有较好的电容性能.当电流密度为0.5 A/g时,多孔VN纳米带气凝胶在2 mol/L KOH溶液中的比电容达到292.2 F/g.因此,所制备的多孔VN纳米带气凝胶可以作为高效的电极材料应用于染料敏化太阳电池对电极和超级电容器电极中.     

内源淀粉特性比较研究

本文比较了不同内源淀粉粒大小、组成、结构特征的差异,分析了造成差异的生理及组成的分子基础,其结论为直链淀粉脂类复合物及蛋白质含量低,分子间氢键和共价键形成容易,淀粉粒大,溶胀能力强和支键淀粉含量高的淀粉,其淀粉糊胶粘度高溶液稳定性和增稠能力强,是以粘性和增稠力为目的的淀粉原料理想的组成和结构模式。     

冻融循环作用下超高性能混凝土界面过渡区微观力学性能劣化研究

为了探究冻融作用下超高性能混凝土(UHPC)的抗冻性机理,利用纳米压痕技术对钢纤维-浆体以及细砂-浆体两种界面过渡区的微观结构和微观力学性能进行研究.研究表明:钢纤维-浆体界面过渡区中存在明显薄弱带,微观结构受冻融影响较大.冻融作用下水化硅酸钙、氢氧化钙的弹性模量和硬度相对变化幅度小于0.2.微孔洞体积分数随冻融循环次数增加呈指数增长,且孔径逐渐扩展到几十微米.钢纤维界面过渡区厚度经0～1500次冻融后从20μm逐渐扩展到65μm左右.随冻融循环次数增加,微孔洞体积分数呈指数函数增长,钢纤维界面过渡区厚度也逐渐扩展,因此可以用来有效地表征冻融作用下UHPC界面过渡区的微观力学性能劣化机理.     

场助纳米二氧化钛薄膜光催化降解甲紫的研究

纳米二氧化钛是一种重要的无机功能材料。本文采用溶胶-凝胶法制备了TiO_2薄膜,利用"场助"影响其光催化特性。光催化实验以可能具有致癌性并且难以生化降解的三苯甲烷类染料——甲紫作为降解物质,用2100型分光光度计来测量降解率,以确定电场、磁场强度对光催化特性的影响。光催化实验结果表明,外加电场(未参与水的电解)、磁场对于协助光催化降解甲紫有着明显的效果。随着外加电场、磁场强度的增加,甲紫溶液的降解率有大幅提高。反应符合一级动力学方程。     

基于SHPB试验的高速铁路CRTSⅡ型CA砂浆动态性能

采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验研究了高速铁路CRTS II型水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)的动态力学性能,并建立了CRTS II型CA砂浆的动态本构关系模型.结果表明:随着应变率的增大,CRTS II型CA砂浆峰值强度逐渐增加,但增加速率随应变率的增大而减小,当应变率从44.17增加至54.79 s-1和从54.79增加至108.47 s-1时,峰值强度分别增加了初始峰值强度的52.28%和7.5%,弹性模量随应变率的变化规律性较差;应变率越大,破坏时的贯通裂纹越多,碎裂程度越大;CRTS II型CA砂浆的比能量吸收随着应变率的增大而增大.所建立的动态本构模型拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性.     

辐射交联聚酯粒子制备绿色轮胎用湿法混炼共沉胶的研究

解决湿法混炼共沉胶的难加工问题对发展高性能绿色轮胎具有重要意义.本文提出"聚酯滚珠增塑橡胶"的概念,设计制备了辐射交联聚酯粒子(radiation-crosslinked polyester particles, REP),并研究了REP对湿法混炼共沉胶的加工性及硫化胶力学性能的影响.研究结果表明,在湿法混炼共沉胶加工过程中, REP的润滑作用能够帮助橡胶分子链解缠结,从而降低共沉胶门尼黏度,改善共沉胶的加工性,粒径为200 nm的REP能够使湿法混炼共沉胶的门尼黏度降低24%,加工耗能降低10%.此外, REP能够提高混炼胶硫化效率,改善硫化胶的力学性能.本文关于REP的增塑、增强橡胶作用机理的研究,对解决绿色轮胎制备过程中湿法混炼共沉胶的难加工问题和白炭黑的分散性问题具有重要的理论研究意义.     

42CrMo钢的动态力学行为及高应变率效应的本构模型

为研究42Cr Mo钢的冲击动态力学性能及本构模型,进行了冲击动态压缩实验和金相观察.材料表现出强烈的应变率依赖性,同时还得到不同应变率下力学性能差异的主要原因在于冲击动态载荷下的绝热剪切行为.采用热激活理论,分别考虑热应力和非热应力来解释变形机理,得到了应变率效应的描述.基于此,本文提出含高应变率效应的动态本构模型,通过绝热剪切准则来确定失稳的起始点,并与模型进行耦合.该模型能很好地描述42Cr Mo钢的准静态和冲击动态力学行为,特别是应变硬化效应和应变率效应.     

多目标机器学习钢的四种力学性能

预报钢材的力学性能对其研发和应用都具有重要作用.本文对360条源自日本国立材料研究所(NIMS)数据库的钢材数据,使用正则化线性回归、随机森林和人工神经网络三种机器学习方法对钢材的疲劳强度、拉伸强度、断裂强度和硬度四种力学性能进行多目标机器学习,即使用一组特征变量来描述这四种目标函数,并使用MultiTaskLasso、特征重要性和复相关系数三种方法对特征变量的重要程度进行了排序,也用"面积法"来平衡模型复杂度(特征个数)与预测精度,且通过线性回归给出了基于化学成分、制备工艺参数、夹杂物参数的解析表达式,对四种力学性能具有较好的预测能力.作为对比,本文还使用原子半径、价电子数和鲍林电负性等9种原子尺度特征替代9种元素特征后进行多目标机器学习建模和预测,计算结果显示原子尺度特征同样具备较好的预测能力.     

喷射转发算法:一种基于Markov位置预测模型的DTN路由算法

典型的容迟网络(DTN)场景常表现出大延迟、易中断、高误码率等特点,其中高效节能的路由算法更是一个亟待解决的问题.现有方法主要是通过发送多个副本来提高数据传输的可达性概率,但网络开销很大.为了同时兼顾成功投递率、网络延迟和网络开销,文中提出了基于Markov位置预测模型的DTN路由算法(喷射转发算法).该算法根据节点经过路径的历史信息,用2阶Markov预测机制预测目的节点可能的位置,针对该位置进行多路径的贪婪转发,使包有方向地扩散,减少网络中包的副本数.采用多副本转发的混合发送模式,在保证成功投递率的基础上,有效地减少包副本数,弥补了使用单一模式时不能兼顾网络开销和成功投递率的不足.仿真结果显示,在小节点密度、节点移动速度较快的网络环境下,与spray and wait算法相比,喷射转发算法能有效地提高成功传输率,减小网络开销.     

双硫腙接枝凝胶的制备及其除汞性能

以单聚体聚丙烯酰胺凝胶(PAGE)为基体,双硫腙为接枝基团制备了接枝凝胶。探究了接枝凝胶对含汞水体的除汞作用及其最适反应条件。结果表明,当pH:7、T=20℃、t=120 min、投料比为7g/L时,处理8 moL/L的模拟含汞废水,汞离子去除率可达99.5%,效果明显,除汞性能较聚丙烯酰胺凝胶得到显著优化。含汞水体中汞离子起始浓度越高,去除率虽随之降低,但单位质量凝胶捕获汞离子质量随之升高。同时,在阳离子干扰实验中,钙离子会对凝胶的除汞作用产生较强干扰,其他实验阳离子干扰作用却不明显。因此,可考虑将其用于含汞废水的处理。     

淹没状态下河道植物偏斜高度与糙率的关系

利用室内变坡水槽,模拟了复式河道滩地3种植物对漫滩水流的干扰作用,并借助声学多普勒测速仪（ADV）施测了不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算了不同条件下的河道糙率。基于水动力及植物柔性变形分析,建立了淹没状态下的植物河道糙率计算的基本关系,反映出糙率值不仅与水流动力条件有关,还与植物类型、淹没高度、布置及其自身力学性能有关,同时,利用试验资料及理论分析成果,进一步获取了植物河道的附加糙率值,借此分析与评价河道植物对水流阻力的影响程度。     

湿度与时间因素对高分子材料力学性能影响的研究

以尼龙6 材料作为研究对象, 从实验与理论两个方面分析湿度与时间因素对高分子材料的力学性能的影响, 对湿度-时间相关性进行了实验分析, 从实验的角度证明了它们之间存在某种等效关系, 即对材料力学性能而言, 延长作用时间与增加材料含湿率是等效的. 给出了该材料的湿度-时间等效关系, 如该材料在不同含湿率下的广义曲线, 该材料平移函数的近似方程与平移因子. 在实验分析工作的基础上, 借鉴温度-时间等效理论的分析方法, 从理论上对湿度-时间等效性进行了推导。