透湿性可控的智能聚合物薄膜的制备与表征

论文摘要

本文对形状记忆聚氨酯和温敏性水凝胶的制备作了尝试,对其结构与件能进行了测试及分析,并在此基础上探讨了透湿性可控的智能复合薄膜的制备及其性能表征。以聚己二酸丁二醇酯（PBAG）、聚己内酯（PCL）和聚乙二醇（PEG）为软段材料,甲苯-2,4-二异氰酸酯（TDI）为硬段,1,4-丁二醇（BDO）为扩链剂,采用溶液聚合法。合成了系列形状记忆聚氨酯。由此,系统讨论了软段分子量、硬度含量对聚氨酯热学性能、结晶结构及透湿性能的影响。随着软段分子量和硬段含量的增加,形状记忆聚氨酯软硬链段的相分离程度增加,从而导致薄膜的透湿性能有所增加。同时,随着软段分子量的增加和硬段含量的降低,聚氨酯的触发温度Ts.m向高温区域移动。选取PBAG基形状记忆聚氨酯系列中两种具有代表性的形状记忆聚氨酯,以不同比例进行了物理混合,进而探讨不同混合比例对混合所得的混合型聚氨酯的相转变温度的影响,以及寻找混合型聚氨酯的相转变温度与其组分中各单一聚氨酯的相转变温度之间的关系。基于相同软段材料但不同分子量和硬段含量所得的聚氨酯混合体,其触发温度的变化与其组分中各单一聚氨酯的含量呈现线性变化关系。这种物理共混方法可以成为控制形状记忆聚氨酯触发温度的一种有效方法。并应用于可呼吸织物及膜的制备上,尤其适用于基于相同合成材料的形状记忆聚氨酯。通过在软段材料中引入亲水性聚合物聚乙二醇（PEG）可以获得在室温温度范围的触发温度,且由于聚乙二醇的加入增加了整个聚氨酯体系的亲水性,因此其透湿量也显著提高。以N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）为扩链剂,过硫酸铵（APS）和四甲基乙二胺（TEMED）分别为引发剂和加速剂,采用自由基聚合法合成聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸钠）[poly（NiPAAm-co-SA）]水凝胶。系统研究了聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸钠）凝胶体系在不同丙烯酸钠含量、交联剂浓度、溶液浓度（共聚单体在水溶液中的百分率）及其不同溶胀介质中的溶胀性能。同时,也研究了在不同pH和温度下,凝胶体系的激发响应性能。研究结果表明丙烯酸钠（SA）含量控制在相对于总单体的10%（mol/mol）之内,才能获得有显著热敏性的聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸钠）水凝胶,即水凝胶溶胀率在最低临界溶液温度区域附近的变化幅度可达到和超过50%。由于亲水性共聚单体丙烯酸钠的引入,极大地提高了水凝胶网络的溶胀性能,其溶胀能力相比与未加入丙烯酸单体的水凝胶。提高了20～40倍。在此基础上,采用相分离技术,制备出了具有快速响应性和强溶胀性能的聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸钠）凝胶体系。最后,采用两种方法制备了智能透湿复合薄膜。方法一,是将干凝胶微颗粒与非离子型形状记忆聚氨酯进行复合涂层后,采用湿法成膜工艺制备成膜,方法二,是将溶胀平衡状态下的水凝胶微颗粒与离子型形状记忆聚氨酯进行复合涂层后,采用干法成膜工艺制备成膜。所得到的智能透湿复合薄膜,其透湿原理在于热敏型（形状记忆）聚氨酯随温度升高,链段热运动加剧,产生暂时的缝隙,即膜的自由体积,而自由体积增加导致透气导湿性能的增加。由于在触发温度区域,自由体积会发生突变,故透湿性能突变。与水凝胶微颗粒混合后,形成智能共混体系,由于凝胶微颗粒物质具有热缩冷胀的性能,在外界水汽（如雨滴或者汗液）的环境中,当温度升高时（高于最低临界溶液温度）,水凝胶的体积相转变性能被激发,聚合物网络急剧脱水,表现为体积快速收缩。这会在聚氨酯薄膜中形成孔道,使得膜的透气导湿性能大大提高。当温度降低时,由于水凝胶颗粒遇湿溶胀,孔道封闭,透气导湿性能下降。对制得的智能复合薄膜进行测试后发现,其透湿性能要超越单一组分的形状记忆聚氨酯薄膜,并可以实现薄膜的“双开关”效应,即由组分中的两种智能材料共同控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1.研究背景
• 1.2.问题的提出与本论文的研究工作
• 1.2.1.问题的提出
• 1.2.2.本课题研究主要内容和预期目标
• 1.2.3 研究方法和创新点
• 1.3.论文的章节安排
• 第2章 相关研究的综述
• 2.1.热敏型（形状记忆）聚氨酯的研究进展
• 2.1.1 热敏型（形状记忆）聚氨酯的结构与组成
• 2.1.2.热敏型（形状记忆）聚氨酯的透湿机理
• 2.1.3.热敏型（形状记忆）聚氨酯透湿性能的研究进展
• 2.2.聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶体系的研究现状
• 2.2.1.温敏性水凝胶的结构
• 2.2.2.聚合物水凝胶的体积相交与溶胀行为
• 2.2.3.温敏性水凝胶在纺织领域的研究进展
• 第3章 热敏型形状记忆聚氨酯及其膜的制备与表征
• 3.1.材料与试验
• 3.1.1.试验材料
• 3.1.2.试验仪器
• 3.1.3.试验装置
• 3.1.4.热敏型形状记忆聚氨酯的合成
• 3.1.5.聚合物膜及其涂层织物的制备
• 3.1.6.测试方法
• 3.2.软硬段对热敏型形状记忆聚氨酯膜的性能影响
• 3.2.1.实验
• 3.2.2.结果与讨论
• 3.2.3 结论
• 3.3.PBAG基形状记忆聚氨酯的混合比对膜的性能的影响
• 3.3.1.实验
• 3.3.2.结果与讨论
• 3.3.3 结论
• 3.4.PEG的加入对PBAG基形状记忆聚氨酯性能的影响
• 3.4.1.实验
• 3.4.2.结果与讨论
• 3.4.3.结论
• 3.5.本章小结
• 第4章 温敏性水凝胶的制备与表征
• 4.1.聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶体系的制备及测试方法
• 4.1.1 原料
• 4.1.2 试验仪器
• 4.1.3.凝胶溶胀性能测试方法
• 4.2.聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸钠）水凝胶激发-响应性溶胀性能的研究
• 4.2.1.实验
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.2.3.结论
• 4.3.聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸钠）水凝胶的在不同聚合溶液中的溶胀行为
• 4.3.1 实验
• 4.3.2.结果与讨论
• 4.3.3.结论
• 4.4.快速响应和强溶胀性能的聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸钠）水凝胶的制备
• 4.4.1.实验
• 4.4.2.结果与讨论
• 4.4.3 结论
• 4.5.本章小结
• 第5章 智能复合膜的制备与表征
• 5.1.智能复合膜A的制备与表征
• 5.1.1.实验
• 5.1.2.测试方法
• 5.1.3 结果与讨论
• 5.1.4.结论
• 5.2.智能复合膜B的制备与表征
• 5.2.1.实验
• 5.2.2.测试方法
• 5.2.3 结果与讨论
• 5.2.4.结论
• 5.3.智能复合膜A与B的透湿行为的比较
• 5.3.1.复合膜A与复合膜B的组分材料与结构设计差异
• 5.3.2.复合膜A与复合膜B的透湿行为差异
• 5.3.3.复合A与复合膜B的应用差异
• 5.4.本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1.热敏型形状记忆聚氨酯的制备与表征
• 6.2.温敏型智能水凝胶的制备与表征
• 6.3.智能复合膜的制备与表征
• 6.4.展望
• 参考文献
• 攻读博士期间完成的论文和专利
• 致谢