快速响应型粘土（Clay-S）/聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）纳米复合水凝胶结构设计及性能表征

论文摘要

作为一种典型的温度敏感性水凝胶,聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）在过去的几十年里已经吸引了众多研究者的兴趣。然而,传统化学交联的PNIPAAm水凝胶力学性能差,溶胀/消溶胀平衡速度缓慢,很大程度上限定了其应用价值。因此,增强水凝胶的力学和快速响应性能以扩大其应用领域是目前主要的研究方向。采用一种由焦磷酸钠改性的锂皂石（Laponite XLS,Clay-S）作为交联剂,我们先前已经成功制备出高粘土含量的粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶（S-N水凝胶）。该水凝胶突破传统的水凝胶力学性能差的特性,具有较高的断裂强度和较大的断裂伸长比,并且发现其机械强度随着粘土含量的增加而增大,但其响应行为却呈现大幅度降低趋势,影响了其实际应用价值。由于S-N水凝胶拥有不同于传统化学键合水凝胶的特殊物理交联网络结构,我们相信纳米复合水凝胶的结构和性能经后期处理会发生一定的改变,比如溶剂、热和光处理等方法。据文献报道,已有一些科研人员采用各种方式来提高水凝胶的快速响应性能。例如,Haraguchi采用冷冻干燥法制备多孔结构水凝胶,张先正等人利用乙醇溶液控制水凝胶溶胀/消溶胀速度等。有鉴于此,本论文的工作着眼于在保证一定力学性能的同时,提高纳米复合水凝胶的溶胀/消溶胀性能。主要研究内容包括:（1）采用酸处理方法对高粘土含量的粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶（S-N水凝胶）进行后期处理,发现S-N-H水凝胶退溶胀响应速率和溶胀度有大幅度的提高,并保持了一定的力学性能。系统研究和分析酸处理的浓度和时间对凝胶体系各方面性能的影响。（2）采用紫外光引发聚合法制备,含Ni（OH）2纳米线的高粘土含量的粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶（S-N-Ni水凝胶）。分析非离子表面活性剂聚乙二醇6000（PEG6000）和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对Ni（OH）2纳米线在水溶液中分散情况的影响。并且归纳两种表面活性剂的不同添加量对S-N-Ni凝胶力学性能影响的差异。最终确定出水凝胶紫外光引发聚合的最佳工艺。（3）鉴于Ni（OH）2易溶于酸,通过酸处理的方法将S-N-Ni凝胶制备成含一维孔洞结构的高粘土含量的粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶（P-S-N水凝胶）。该凝胶在保证一定力学性能的基础上,具备超响应性能。同时,对其力学性能、溶胀/消溶胀行为等方面进行了归纳和总结。这种具有良好溶胀度和快速消溶胀速率性能的含一维孔洞结构的纳米复合水凝胶有望进一步拓宽在环境、生物、医药等方面的应用,特别是在微流体通路的控制元件和药物的释放控制方面有着深远的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水凝胶定义
• 1.2 水凝胶的分类
• 1.2.1 按尺寸大小分类
• 1.2.2 按合成材料分类
• 1.2.3 按交联方式分类
• 1.2.4 按响应因素分类
• 1.3 水凝胶的发展现状
• 1.4 水凝胶的应用领域
• 1.5 聚（N-异丙基丙稀酰胺）高性能水凝胶的研究现状
• 1.5.1 提高PNIPAAm水凝胶的机械性能
• 1.5.1.1 通过形成互穿网络结构提高PNIPAAm水凝胶的力学性能
• 1.5.1.2 采用物理交联法提高PNIPAAm水凝胶的力学性能
• 1.5.2 提高PNIPAAm水凝胶的溶胀率和响应速率
• 1.5.2.1 利用接枝-共聚法提高水凝胶的性能
• 1.5.2.2 利用相分离法提高水凝胶的性能
• 1.5.2.3 利用冷处理法提高水凝胶的性能
• 1.5.2.4 利用成孔剂制备多孔结构水凝胶
• 1.6 本课题研究目的
• 1.7 本课题的研究内容
• 参考文献
• 第二章 酸处理粘土/聚（N-异丙基丙稀酰胺）纳米复合水凝胶的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器及设备
• 2.2.2 实验试剂
• 2.2.3 粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶（S-N水凝胶）的合成
• 2.2.4 酸处理粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶的制备
• 2.2.5 分析测试方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 S-N和S-N-H水凝胶的红外分析
• 2.3.2 S-N和S-N-H水凝胶的元素分析
• 2.3.3 酸处理前后水凝胶的透光率变化
• 2.3.4 S-N和S-N-H水凝胶的X射线衍射分析
• 2.3.5 酸处理对水凝胶溶胀行为的影响
• 2.3.6 酸浓度对水凝胶消溶涨行为的影响
• 2.3.7 酸处理对水凝胶最低临界共溶温度的影响
• 2.3.8 S-N和S-N-H水凝胶的拉伸性能的对比
• 本章小结
• 参考文献
• 2纳米线,粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶的研究'>第三章 Ni（OH）₂纳米线,粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器及设备
• 3.2.2 实验试剂
• 2纳米线在水溶液中的分散'>3.2.3 Ni（OH）₂纳米线在水溶液中的分散
• 2纳米线/粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶的合成'>3.2.4 Ni（OH）₂纳米线/粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶的合成
• 3.2.5 分析测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 2纳米线在水溶液中的分散性'>3.3.1 Ni（OH）₂纳米线在水溶液中的分散性
• 3.3.2 聚合反应机理
• 3.3.3 S-N-Ni水凝胶的力学性能
• 3.3.4 S-N-Ni水凝胶的溶胀行为
• 3.3.5 S-N-Ni水凝胶的消溶胀行为
• 3.3.6 扫描电镜分析
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 含一维孔洞结构粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器及设备
• 4.2.2 实验试剂
• 4.2.3 酸处理含一维孔洞结构的粘土/PNIPAAm纳米复合水凝胶的制备
• 4.2.4 分析测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 P-S-N水凝胶的红外分析
• 4.3.2 P-S-N水凝胶的元素分析
• 4.3.3 P-S-N水凝胶的溶胀行为
• 4.3.4 P-S-N水凝胶的消溶胀行为
• 4.3.5 P-S-N水凝胶的力学性能
• 4.3.6 P-S-N水凝胶的扫描电镜分析
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 硕士期间发表论文情况
• 致谢