粘土-聚合物納米復(fù)合水凝膠的合成及結(jié)構(gòu)性能表征.pdf

1、聚合物水凝膠已成為人們生活中必不可少的一部分，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如，分子濾膜、超強(qiáng)吸水劑、接觸透鏡等。由于智能凝膠能夠?qū)ν饨绲沫h(huán)境刺激產(chǎn)生有效響應(yīng)，被廣泛研究以用于藥物釋放系統(tǒng)、萃取分離、微通道元件、形狀記憶材料及響應(yīng)性顯示元件等。但是，目前智能凝膠仍存在一些致命缺點(diǎn)，如響應(yīng)速率慢、機(jī)械強(qiáng)度差等。因此，近期對(duì)智能凝膠研究主要有以下三個(gè)趨勢(shì)：智能凝膠的微納米化及多功能化、提高塊狀智能凝膠的響應(yīng)速率、提高水凝膠的力學(xué)性能。
　

2、　 本論文以提高凝膠力學(xué)性能與改善凝膠響應(yīng)性能為目的，選用一種經(jīng)焦磷酸鈉改性的鋰皂石(Laponite XLS，粘土S)作為交聯(lián)劑，采用原位聚合方法合成了一系列粘土/聚合物納米復(fù)合凝膠，得到了一系列具有優(yōu)異力學(xué)性能及特殊響應(yīng)行為的納米復(fù)合凝膠，對(duì)其合成方法、性能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。取得了如下主要結(jié)果：
　　 ⑴選用了改性的鋰皂石(Laponite XLS，粘土S)作為交聯(lián)劑，通過原位溶液聚合方法合成了一系列高粘土含量的粘土S

3、/聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)納米復(fù)合水凝膠(S-N凝膠)。對(duì)其力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)該凝膠具有極高的拉伸斷裂強(qiáng)度及拉伸斷裂伸長率，較快的應(yīng)力松弛，較大的力學(xué)損耗以及低的拉伸回彈率。對(duì)該凝膠消溶脹行為、透光率的溫敏性以及DSC分析，表明在高粘土含量(＞10wt％)時(shí)，由于粘土片層使大分子鏈親水化，導(dǎo)致凝膠的宏觀相變行為消失。對(duì)凝膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行了XRD、SEM、AFM及TEM表征，結(jié)果表明粘土在凝膠中有著良好的分散，且凍干的S-N凝膠

4、呈多孔狀，可作為潛在的多孔材料。
　　 ⑵通過原位聚合法合成了一系列高粘土含量的粘土S/聚丙烯酰胺(PAAm)納米復(fù)合凝膠(S-M凝膠)。對(duì)S-M凝膠的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，該凝膠具有高拉伸強(qiáng)度、超高的斷裂伸長率，且與S-N凝膠相比，S-M凝膠具有很小的力學(xué)損耗以及良好的回彈性；對(duì)聚合過程中S-M預(yù)聚液體系的透光率的研究表明，在納米復(fù)合凝膠合成過程中，體系是否會(huì)發(fā)生透光率變化與聚合所得大分子的親水性強(qiáng)弱有關(guān)：S-M凝膠的溶脹行

5、為表明，S-M凝膠的溶脹倍率隨粘土含量或聚合物含量的升高而減?。粚?duì)S-M凝膠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，XRD圖譜表明在濕態(tài)的高含量S-M凝膠中，粘土呈完全剝離狀態(tài)，在干凝膠中，由于體積的減小，部分粘土聚集呈插層狀態(tài)。S-M的SEM照片表明，在粘土含量較低時(shí)，粘土在冷凍干燥凝膠中呈良好分散，而在粘土含量高時(shí)，粘土在凍干凝膠中部分團(tuán)聚。
　　 ⑶成功地合成了一系列粘土S/Poly(NIPAAm-co-AAm)納米復(fù)合水凝膠(S-N-M凝膠)

6、。該凝膠具有較好的力學(xué)性能，較高的拉伸強(qiáng)度和較高的斷裂伸長率。其斷裂伸長比優(yōu)于S-N水凝膠，而拉伸強(qiáng)度則高于S-M水凝膠。通過調(diào)節(jié)聚合物的配比可對(duì)S-N-M凝膠的力學(xué)性能與溶脹性能進(jìn)行調(diào)控。納米復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能取決于大分子的親水性及柔性。通過對(duì)S-N-M納米復(fù)合水凝膠在反應(yīng)過程中透光率變化規(guī)律的研究，再次證實(shí)了透光率是否變化與聚合物的親水性有關(guān)，聚合物親水性越強(qiáng)則透光率變化越小，疏水性越強(qiáng)則變化越大。
　　 ⑷通過熱處理制備

7、了一系列具有超高溶脹倍率的粘土S/PAAm納米復(fù)合水凝膠(S-M-T凝膠)，其溶脹倍率高達(dá)2000g/g以上；通過對(duì)該高溶脹倍率凝膠的研究，發(fā)現(xiàn)熱處理提高凝膠溶脹倍率的機(jī)理在于高溫增大了PAAm的活動(dòng)性，使得許多PAAm的重復(fù)單元從粘土上脫離，增大了交聯(lián)點(diǎn)間分子量，從而增大了凝膠的溶脹倍率；通過對(duì)該凝膠的溶脹行為研究，發(fā)現(xiàn)該凝膠對(duì)外界溶液中的離子十分敏感，與傳統(tǒng)離子型高吸水凝膠的溶脹行為相似，據(jù)分析應(yīng)是由于粘土片層帶電荷所至；通過對(duì)凝膠

8、的力學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)凝膠在處理后力學(xué)性能并未有所下降，且在高溶脹倍率下仍具有遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)高吸水凝膠的力學(xué)性能，有望在對(duì)力學(xué)性能及溶脹倍率要求都較高的領(lǐng)域有所應(yīng)用。
　　 ⑸采用原位聚合的方法成功合成了粘土/聚(N-異丙基丙烯酰胺)/聚乙二醇納米復(fù)合水凝膠(S-N-P凝膠)，聚乙二醇(PEG)的引入能使原本在高粘土含量的PNIPAAm納米復(fù)合凝膠中消失的LCST重現(xiàn)，據(jù)分析應(yīng)是PEG的引入占據(jù)了粘土上的一些交聯(lián)位置，從而使PNIPAA

9、m活動(dòng)性增大；加大PEG6000用量，得到了具有雙臨界共溶溫度(UCST、LCST)的S-N-P凝膠，且凝膠的UCST及LCST皆隨PEG6000含量的增加而下降，凝膠在十分狹窄的溫度區(qū)間中具有高透明度，在其它溫度范圍呈白色不透明狀，該凝膠在溫敏元件方面有潛在應(yīng)用。
　　 ⑹使用紫外引發(fā)光掩膜微通道原位聚合方法成功地合成了溫敏性納米復(fù)合凝膠微元件，該微元件保持了納米復(fù)合凝膠優(yōu)異的力學(xué)性能，有一定的溫敏性能，預(yù)計(jì)將在某些對(duì)力學(xué)性能