聚丙烯酰胺/氧化石墨烯水凝胶的制备及性能研究

论文摘要

水凝胶较好的吸水、保水性及生物相容性使其在日常生活中得到了广泛的应用,但传统凝胶较差的机械性能又在一定程度上限制了水凝胶的应用。近年来提高水凝胶的机械性能已成为科学界的一个研究热点。本文以无机氧化石墨烯（GO）为交联剂制备了具有较好拉伸性能的有机／无机纳米复合水凝胶。主要研究工作如下：1.以GO和有机N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）为共交联剂,丙烯酰胺（AM）为单体,采用原位自由基聚合的方法制备了PAM/（GO-BIS）纳米复合凝胶。与有机交联的传统凝胶相比,PAM/（GO-BIS）凝胶具有较大的断裂伸长率（大于2500%）及拉伸强度；2.在上文研究的基础上,本文进一步只采用无机GO为交联剂制备了纳米复合水凝胶（PAM/GO）。与传统凝胶相比,少量氧化石墨烯的加入使得材料的断裂伸长率提高了近一个数量级,且断裂强度提高了约4.5倍。所得材料同时具有较好的柔韧性及可恢复性。交联剂GO的含量对PAM/GO凝胶拉伸强度的影响较大,其中当氧化石墨烯含量为6g/（10LH2O）时,材料的断裂强度达到最大值（385.0 KPa）。而凝胶的断裂伸长率受交联剂含量的影响较小,所有PAM/GO凝胶的断裂伸长率均大于3100%。ATR-FTIR, DSC及XRD等相关测试结果表明在PAM/GO凝胶中形成了一种独特的有机／无机网络结构。结合凝胶单位体积内交联聚合物链的数量（N*）,本文提出了PAM/GO凝胶的结构模型。此外本文还考察了外界温度等因素对PAM/GO凝胶溶胀性能的影响,最后分析了该凝胶的溶胀动力学行为。结果表明PAM/GO凝胶的吸水性能明显好于传统有机交联凝胶的吸水性能。并且随着外界温度的升高,PAM/GO凝胶的吸水倍率逐渐增大。PAM/GO凝胶的溶胀行为符合二次速率方程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水凝胶的概述
• 1.2.1 水凝胶简介
• 1.2.2 水凝胶的性质及应用
• 1.2.3 新型水凝胶研究现状
• 1.3 聚合物/氧化石墨烯纳米复合材料
• 1.3.1 氧化石墨烯
• 1.3.2 聚合物/氧化石墨烯纳米复合材料的制备方法
• 1.3.3 聚合物/氧化石墨烯纳米复合材料的性能
• 1.4 聚合物/氧化石墨烯水凝胶的研究现状
• 1.5 课题研究的意义和研究内容
• 1.5.1 课题研究的意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 PAM/（GO-BIS）复合水凝胶的合成及性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料及仪器
• 2.1.2 氧化石墨烯的制备
• 2.1.3 复合水凝胶的合成
• 2.2 相关测试表征
• 2.2.1 拉伸性能测试
• 2.2.2 吸水性能测试
• 2.2.3 热失重分析测试
• 2.2.4 玻璃化转变温度的测试
• 2.2.5 XRD表征
• 2.2.6 GO的分散及剥离状态表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 GO的表征分析
• 2.3.2 凝胶的拉伸性能
• 2.3.3 凝胶的结构分析
• 2.3.4 凝胶的吸水性能
• 第三章 PAM/GO纳米复合水凝胶的合成及性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验原料及仪器
• 3.1.2 氧化石墨烯的制备
• 3.1.3 纳米复合水凝胶的合成
• 3.2 测试与表征
• 3.2.1 机械性能测试
• 3.2.2 溶胀性能测试
• 3.2.3 DSC测试
• 3.2.4 衰减全反射红外测试
• 3.2.5 XRD分析
• 3.2.6 凝胶的TEM
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 水凝胶的机械性能
• 3.3.2 凝胶的结构分析
• 3.3.3 凝胶的结构模型
• 3.3.4 凝胶的溶胀性能
• 3.3.5 凝胶的溶胀动力学分析
• 第四章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的文章
• 作者和导师介绍
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书