高强度凝胶的制备及性能研究

论文摘要

高分子水凝胶作为一种软湿材料具有许多刚性材料不具备的形变和机动性能,如对外界刺激响应的智能特性以及形状记忆特性等,因而在工业、农业、生物和材料等领域中均显示出诱人的应用前景。但高分子水凝胶机械强度弱,稳定性差,响应速度慢等缺点大大限制了它的实际应用。因此研究制备高强度水凝胶,以及制备非水环境的离子液凝胶将十分有意义。本文通过考察不同单体浓度和离子强度下凝胶的力学性能和溶胀特性,对聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（PAMPS）与聚丙烯酰胺（PAAm）形成的互穿网络凝胶的高强度性能和作用机理进行了研究。结果表明:PAMPS/PAAm互穿网络凝胶的力学强度随着AAm浓度增大而增大,而AMPS浓度有一个最佳值（1 mol/L）。在1 mol/L AMPS和4 mol/L AAm浓度下,合成的PAMPS/PAAm凝胶最大抗压强度可达6.46 MPa。改变凝胶体系内水的离子强度,1p2a和1p4a PAMPS/PAAm凝胶在0.25 mol/kg离子强度时的抗压强度与纯水状态下相比分别增加了67%和29%。同时,针对离子液凝胶结合了离子液体的稳定、不挥发、良好导电性以及普通凝胶的环境响应性智能特点,本文在考察乙烯基单体在咪唑类离子液体中的溶解性和聚合特性的基础上,对离子液凝胶制备方法进行了探索,成功制备了PAAm/[BMIm]Br高强度离子液凝胶并对其性能进行了研究。结果表明:PAAm/[BMIm]Br离子液凝胶强度随着AAm浓度和交联剂（MBAA）浓度的增加而增加,在MBAA含量为1 mol%,AAm浓度5 mol/L时凝胶最大抗压强度达到30.6MPa。在PAAm/[BMIm]Br离子液凝胶中加入羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）与AAm共聚可得到PAAm-PHEMA/[BMIm]Br离子液凝胶,随着HEMA加入量的增加凝胶强度减少,柔韧性增加。PAAm-PHEMA/[BMIm]Br离子液凝胶的电导率在25℃时达到10-2mS/cm。TGA测试表明所有离子液凝胶稳定温度接近250℃,离子液体含量达到70%。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高分子水凝胶概述
• 1.2.1 高分子水凝胶的分类
• 1.2.2 高分子水凝胶的制备方法
• 1.2.2.1 单体的交联聚合法
• 1.2.2.2 接枝共聚法
• 1.2.2.3 水溶性高分子交联法
• 1.2.3 高分子水凝胶的智能特性
• 1.2.3.1 温度响应性
• 1.2.3.2 pH向应性
• 1.2.3.3 光响应性
• 1.2.3.4 电响应性
• 1.2.3.5 磁响应性
• 1.2.3.6 生物分子响应性
• 1.2.4 高分子水凝胶的应用
• 1.2.4.1 药物控制释放
• 1.2.4.2 组织工程
• 1.2.4.3 物质分离
• 1.2.4.4 酶的固定化
• 1.2.4.5 调光材料
• 1.2.4.6 化学机械器件
• 1.2.4.7 其它应用
• 1.3 高强度水凝胶的研究进展
• 1.3.1 拓扑结构凝胶
• 1.3.2 互穿网络凝胶
• 1.3.2.1 智能互穿网络凝胶
• 1.3.2.2 机械增强互穿网络凝胶
• 1.4 离子液凝胶的研究进展
• 1.4.1 离子液凝胶的制备方法
• 1.4.1.1 自由基聚合
• 1.4.1.2 浇铸法
• 1.4.1.3 离子液体自聚
• 1.4.1.4 其他方法
• 1.4.2 离子液凝胶的独特性能
• 1.4.2.1 电化学性能
• 1.4.2.2 热学性能
• 1.4.2.3 环境响应性
• 1.4.2.4 其他性能
• 1.4.3 离子液凝胶的应用
• 1.4.3.1 光电材料
• 1.4.3.2 功能膜材料
• 1.4.3.3 生物传感器
• 1.5 结束语
• 1.6 本课题研究的目的
• 1.7 本课题主要研究内容及研究思路
• 2 PAMPS/PAAM高强度水凝胶的制备及性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部份
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 单体的重结晶纯化
• 2.2.3 PAMPS/PAAm高强度水凝胶的制备
• 2.2.4 力学性能测试
• 2.2.5 溶胀性能测定
• 2.2.6 元素分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PAMPS/PAAm凝胶的制备
• 2.3.2 单体浓度对PAMPS/PAAm凝胶力学性能的影响
• 2.3.3 添加PEG对PAMPS/PAAm凝胶力学性能的影响
• 2.3.4 PAMPS/PAAm凝胶的溶胀性能
• 2.3.5 离子强度对PAMPS/PAAm凝胶性能的影响
• 2.3.6 PAMPS/PAAm凝胶的元素分析结果
• 2.4 本章小结
• 3 高强度离子液凝胶的制备及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 离子液体合成
• 3.2.3 核磁共振波谱（NMR）分析
• 3.2.4 水含量测定
• 3.2.5 单体在离子液体中的溶解性及聚合特性测定
• 3.2.6 PAAm/[BMIm]Br离子液凝胶的制备
• 3.2.7 PAAm-PHEMA/[BMIm]Br离子液凝胶的制备
• 3.2.8 力学性能测定
• 3.2.9 电导率测定
• 3.2.10 热稳定性能测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 离子液体合成
• 3.3.2 单体在离子液体中的溶解性及聚合特性
• 3.3.3 离子液凝胶的力学性能
• 3.3.4 离子液凝胶的吸水情况
• 3.3.5 离子液凝胶的电导率
• 3.3.6 离子液凝胶的热稳定性
• 3.4 本章小结
• 4 离子液凝胶与水凝胶相互转换
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 PAAm离子液凝胶的制备
• 4.2.3 PAAm水凝胶的制备
• 4.2.4 离子液凝胶在水中溶胀
• 4.2.5 脱水凝胶在离子液体中溶胀
• 4.2.6 利用离子液凝胶的凝胶网络制备互穿网络水凝胶
• 4.2.7 力学性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 离子液凝胶在水中溶胀情况
• 4.3.2 脱水凝胶在离子液体中溶胀情况
• 4.3.3 利用离子液凝胶的凝胶网络制备互穿网络水凝胶
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 参考文献
• 作者简历