环境响应型半互穿聚合网络水凝胶的合成与性能研究

论文摘要

高分子凝胶随着环境中的物理或化学条件的变化而引起体积或形状的改变。本文采用溶液聚合方法,将具有不同官能团的单体在海藻酸钠溶液中进行交联聚合,制备环境响应性半互穿聚合网络水凝胶,更好地满足了不同环境下的响应要求,更快实现材料智能化的目标。一、海藻酸钠/聚丙烯酸半互穿网络水凝胶的制备与电刺激响应行为研究通过溶液聚合的方法制得了不同交联剂含量的海藻酸钠（SA）/聚丙烯酸（PAA）半互穿网络水凝胶,并研究了其吸水性能、流变性能和电刺激响应行为特征。利用傅里叶红外光谱仪（FTIR）及环境扫描电子显微镜等对水凝胶聚合物进行了微观结构的表征。结果表明：体系中单体几乎完全反应。吸水性能的研究结果表明其最高溶胀率为72.80g/g,溶胀率随交联剂用量、溶液的离子浓度的增大而减少；流变性能的研究结果表明由于交联网络的形成,SA/PAA由液态向凝胶态转变并随着时间的推移水凝胶表现出高粘弹性：电刺激响应行为的研究表明在直流电场中凝胶条向阴极弯曲且弯曲角度随电场强度的增大而增大,最高至90°；在pH<6的盐酸溶液里,凝胶条弯曲角度随pH值的增大而增大,并表现出凝胶条在直流电场中弯曲角度的时间可逆性。二、温度、pH敏感性海藻酸钠（SA）/聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）半互穿网络水凝胶的制备与其响应特性研究采用溶液聚合法制备的SA/PNIPAM半互穿网络水凝胶,并研究其温度、pH敏感性能。结果表明：合成的半互穿网络水凝胶在室温下透明均一,光滑富有弹性,且基本无小分子杂质残存,当温度升至LCST以上时,凝胶变得浑浊不透明。通过场发射扫描电子显微镜可知,溶胀平衡的凝胶内部含有大孔网状结构,且随着海藻酸钠含量的升高,孔洞越大。但当凝胶干燥至恒重后,在电镜下凝胶内部孔洞收缩至消失。三、顺磁性Fe3O4纳米复合半互穿网络水凝胶的制备与性能研究采用共沉淀法在已经制备好的半互穿网络水凝胶中制备顺磁性Fe3O4纳米粒子。这也提供了一种以大孔水凝胶作为模板,制备单分散不团聚纳米粒子的一种非常有效的办法。通过场发射扫描电镜、VSM及TGA的对比,得出磁性纳米四氧化三铁所占比例较为接近。制备得到的磁性纳米复合凝胶同样具有温敏性,且通过DSC检测四氧化三铁的生成对凝胶的LCST几乎没有影响。四、图像分析法检测凝胶形变特性研究本文提出一种基于图像分析的测量方法,可以全过程监测水凝胶的形变特性。在该方法中,首先利用CCD数码相机采集水凝胶温度实验过程中的系列图像,然后对每幅图像中的水凝胶和标尺分别进行精确定位,计算出水凝胶形变的测量数据,最后获得水凝胶形变的拟合曲线。结果表明,在全封闭容器中,凝胶的体积随温度上升呈下降的趋势。本课题研究的意义在于选用具有特殊基团的化合物在生物相容性大分子溶液里进行交联聚合,得到随外界环境如温度、pH、离子强度、以及电场、磁场等外场响应的智能型水凝胶,并在药物控制释放、化学记忆元件开关、人造肌肉、传感器等方面得到应用。根据水凝胶实验图像的特征,本课题同时提出了一种基于图像分析的测量方法。这种方法具有灵敏度高、检测速度快、不用任何物体接触零件表面、不需要耦合剂、对被测物件的形状和表面状态无特殊要求、能全场直观显示形变状态等优点,而且检测结果易于保存,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 导论
• 1.1 引言
• 1.2 智能高分子凝胶的定义及响应性分类
• 1.3 高分子凝胶的形成及其中的作用
• 1.4 智能高分子凝胶的相转变行为
• 1.5 智能型高分子凝胶的应用
• 1.6 选题的目的与意义
• 1.7 本文创新点
• 1.8 参考文献
• 第二章 海藻酸钠/聚丙烯酸（PAA）半互穿网络水凝胶的制备与电刺激响应行为研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料及试剂
• 2.2.2 实验仪器及设备
• 2.2.3 实验步骤
• 2.2.4 结构与性能表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 海藻酸钠/PAA半互穿网络凝胶分数的测定
• 2.3.2 SA/PAA半互穿网络凝胶红外表征
• 2.3.3 SA/PAA半互穿网络凝胶溶胀性能分析
• 2.3.4 SA/PAA半互穿网络水凝胶环境扫描电镜测试
• 2.3.5 SA/PAA半互穿网络凝胶流变性能分析
• 2.3.6 SA/PAA半互穿网络凝胶电刺激响应行为的分析
• 2.4 本章小结
• 2.5 参考文献
• 第三章 温度、pH敏感性海藻酸钠/PNIPAM半互穿网络水凝胶的制备及其响应特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料及试剂
• 3.2.2 实验仪器及设备
• 3.2.3 实验步骤
• 3.2.4 结构与性能表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 凝胶分数的测定
• 3.3.2 SA/PNIPAM半互穿网络水凝胶环境扫描电镜测试
• 3.3.3 SA/PNIPAM半互穿网络水凝胶可见光透光率的测定
• 3.3.4 SA/PNIPAM半互穿网络凝胶红外表征
• 3.3.5 SA/PNIPAM半互穿网络凝胶溶胀性能分析
• 3.3.6 SA/PNIPAM半互穿网络凝胶热性能测试
• 3.3.7 SA/PNIPAM半互穿网络凝胶流变性能分析
• 3.4 本章小结
• 3.5 参考文献
• 第四章 四氧化三铁磁性纳米复合水凝胶的制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料及试剂
• 4.2.2 实验仪器及设备
• 4.2.3 实验步骤
• 4.2.4 结构与性能表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 磁性纳米复合水凝胶凝胶分数的测定
• 4.3.2 磁性纳米复合水凝胶场发射扫描电镜测试
• 4.3.3 磁性纳米复合凝胶红外表征
• 4.3.4 磁性纳米复合凝胶磁性能分析
• 4.3.5 磁性纳米复合凝胶XRD分析
• 4.3.6 磁性纳米复合凝胶热性能分析
• 4.3.7 磁性纳米复合凝胶的流变性能分析
• 4.4 本章小结
• 4.5 参考文献
• 第五章 图像分析法检测凝胶的形变特性
• 5.1 引言
• 5.2 课题研究的主要内容
• 5.3 实验系统
• 5.4 实验图像的采集
• 5.5 水凝胶定位
• 5.6 水凝胶形变检测
• 5.7 水凝胶形变数据曲线拟合
• 5.8 本章小结
• 5.9 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 攻读硕士期间参加的会议及研究成果
• 致谢