动态共价交联聚合物凝胶制备及其凝胶—溶胶互变和自愈合性质研究

论文摘要

物理凝胶具有较好的环境响应性,可以实现凝胶-溶胶的可逆转变,但稳定性和机械强度较差;化学凝胶具有较好的稳定性和强度,但难以实现凝胶-溶胶的可逆转变。如何将两种优势结合起来,构筑既具有物理凝胶的可逆特性,又具有化学凝胶稳定性和高强度优点的凝胶体系,是凝胶研究领域的前沿和难点。动态共价化学在聚合物凝胶中的应用为突破这一难点提供可能的途径。本论文采用动态共价键-酰腙键制备了聚合物化学凝胶。酰腙键是共价键,比分子间的弱相互作用（氢键等）要强,因此通过它制备的凝胶具有化学凝胶稳定性好和强度较高的特点;同时,利用酰腙键在特定pH条件下的可逆性质,通过调控pH值实现了此类凝胶的凝胶-溶胶可逆转变。此类凝胶还具有优良的自愈合能力。本论文的主要研究内容与成果如下:1.凝胶因子的合成:通过酯化、亲核取代和酯的肼解对聚乙二醇的末端进行修饰,得到官能度接近于100%的聚乙二醇-二苯甲酰肼。通过酯化和亲核取代反应,以三羟甲基乙烷为原料合成了三[（4-醛基苯氧基）-甲基]乙烷。2.凝胶形成条件与凝胶性能研究:通过聚乙二醇-二苯甲酰肼和三[（4-醛基苯氧基）-甲基]乙烷的缩合反应制备了动态共价交联聚合物凝胶。凝胶具有良好的弹性和机械强度。凝胶因子的浓度、催化剂的量对凝胶的形成具有比较显著的影响。凝胶因子浓度增加时,凝胶形成时间缩短;催化剂乙酸的加入可缩短凝胶形成时间。凝胶可以在不同的有机溶剂中形成,对溶剂的极性依赖性较小。3.凝胶-溶胶可逆互变性质的研究:研究表明,体系的表观pH大于4时,酰腙键的形成速率大于水解速率,体系处于凝胶状态,体系的表观pH小于4时,酰腙键的形成速率小于水解速率,凝胶向溶胶转变。凝胶因子浓度为12%的凝胶具有较好的稳定性,至少可以经历8次凝胶-溶胶的可逆转变。4.凝胶自愈合性质的研究:酰腙键温和条件下的酸催化形成过程是可逆的,通过酰腙键交联形成的凝胶是不断交换的动态体系,当将两片切开的凝胶紧密贴合时,切口消失,凝胶可以实现自愈合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 凝胶概述
• 1.1.1 凝胶的定义
• 1.1.2 凝胶的分类
• 1.1.3 凝胶形成的判断
• 1.2 分子凝胶
• 1.2.1 分子凝胶的合成
• 1.2.2 分子凝胶的凝胶-溶胶互变
• 1.3 聚合物凝胶
• 1.3.1 聚合物化学凝胶的合成
• 1.3.2 聚合物物理凝胶的合成
• 1.3.3 聚合物物理凝胶和聚合物化学凝胶的结合
• 1.3.4 聚合物凝胶的响应性
• 1.4 动态共价化学
• 1.4.1 动态共价化学概述
• 1.4.2 酰腙键在合成动态聚合物中的应用
• 1.4.3 动态共价化学在合成聚合物凝胶中的应用
• 1.5 自愈合材料的研究概况
• 1.6 本课题的研究背景和内容
• 第二章 凝胶因子的合成
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 药品与仪器
• 2.2.2 聚合物凝胶因子的合成
• 2.2.3 小分子凝胶因子的合成
• 2.2.4 凝胶因子的结构表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 聚合物凝胶因子的合成及结构分析
• 2.3.2 小分子凝胶因子的合成及结构分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 动态共价交联聚合物凝胶的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 药品与仪器
• 3.2.2 凝胶的制备及影响凝胶形成的因素
• 3.2.3 凝胶形成的判定
• 3.2.4 凝胶的结构表征
• 3.2.5 凝胶的溶胀行为
• 3.2.6 凝胶的力学性能
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 凝胶形成的判定
• 3.3.2 凝胶的形成条件
• 3.3.3 凝胶的结构表征
• 3.3.4 凝胶的溶胀行为
• 3.3.5 凝胶的力学性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 凝胶-溶胶转换和自愈合性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 药品与仪器
• 4.2.2 凝胶的凝胶-溶胶转变
• 4.2.3 凝胶-溶胶转变后凝胶性能的变化
• 4.2.4 凝胶的自愈合性质研究
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 凝胶的凝胶-溶胶转变
• 4.3.2 凝胶-溶胶转变后凝胶性能的变化
• 4.3.3 凝胶的自愈合性质研究
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢