P（NIPAM-co-AA）水凝胶基无机/有机纳米复合材料的制备及其性能研究

论文摘要

聚合物基有机/无机纳米复合材料的组装以及相关的纳米技术在制备新型纳米复合材料中越来越受到研究者的关注。这是由于纳米无机物与聚合物基体之间的协同作用使得聚合物基复合材料把无机物的光、电、热等特性与高分子材料的韧性、易加工性、电绝缘性等性能巧g/k地结合起来,使材料既具有无机材料的优点（如刚性、高模量、尺寸稳定性、高热稳定性和特殊的光电磁性能等）又具有高分子材料的优点（如弹性、延展性、韧性、电绝缘性、易加工性等）。而且由于无机粒子在高分子基体中是以纳米粒子的形式均匀分布的,所以这种纳米复合材料在力学、热学、电学、光学、非线性光学等领域具有一定的应用。复合材料的性能在很大程度上取决于分散相尺寸和两相之间的界面作用,为了增强复合材料中各组分之间的相互作用,将一个或多个组分以纳米尺寸或分子水平均匀分散在另一组分的基体中,得到所谓的复合材料。复合材料的性质比相应的常规材料有了较大的改善,甚至表现出全新的性质。在制备有机/无机复合材料的诸多方法中,原位聚合法是目前较为可行的一种。原位聚合法可在温和条件下进行,可使两相分散均匀。该技术的实质是利用聚合物单体在外力作用下,如氧化、电、热、光、辐射、引发等,原位产生聚合或共聚,使得某一种或多种物质均匀分散在聚合物基体中,形成纳米复合材料。原位聚合技术的优点是:（1）制备工艺简单;（2）可制备较多体系的复合材料;（3）第二相或增强相表面洁净,分散均匀,相种类多,体积分数高;（4）可以制备金属或者陶瓷为第二相或增强相的聚合物基复合材料。基于以上研究背景基础上,本文采用溶胶-凝胶法制备了纳米TiO2,研究了以PNIPAM、P（NIPAM-co-AA）为聚合物基体,先后以纳米TiO2、无机粘土Clay为无机增强相,在引发剂作用下采用原位聚合法合成了几种聚合物基无机/有机纳米复合材料,主要研究内容包括以下三个方面:（1）以钛酸四丁酯为前驱物,冰醋酸为整合剂,盐酸作催化剂,乙醇作溶剂,采用溶胶-凝胶法制备了纳米TiO2粉体,对TiO2胶凝过程以及溶胶-凝胶转变机理进行了研究,初步探讨了影响溶胶-凝胶的实验因素。并且使用硅烷偶联剂对纳米TiO2进行表面改性,使纳米TiO2与偶联剂上的硅羟基缩聚形成Si-O-Ti键,从而将纳米TiO2以化学健的形式引入至TiO2/PNIPAM复合反应中。扫描电镜与透射电镜结果表明纳米TiO2粒径均一、分散性良好;红外光谱显示硅烷偶联剂已经成功接枝到纳米TiO2表面上;能谱分析结果证明了元素组成符合TiO2的成分组成:XRD图谱显示了纳米TiO2在不同温度下具有明显的晶型转变。（2）以PNIPAM为聚合物基体,表面经硅烷偶联剂改性后的纳米7i02为无机组分,在引发剂过硫酸氨（APS）引发作用下采用原位聚合法制备了不同纳米7i02含量的7i02/聚N-异丙基丙烯酰胺复合水凝胶。采用红外光谱、扫描电镜、紫外光谱、热重分析、动态粘弹谱仪（DMA）等表征了复合水凝胶的微观结构和形貌,测试了复合凝胶材料对紫外线的吸收、热稳定性、机械强度及其韧性。紫外吸收结果表明,纳米TiO2粒子的引入,使得复合凝胶材料对紫外线吸收效果显著;热重分析测试显示了凝胶的热稳定性得到提高;DMA测试说明了复合凝胶的机械强度及其韧性得到明显改善。（3）以P（NIPAM-co-AA）为聚合物基体,无机粘土Clay为增强相,合成了一系列具有高吸水性和优异机械强度等性能的P（NIPAM-co-AA）/Clay复合水凝胶。利用粘土片层间阳离子的水化作用,使粘土的晶层结构在水中发生分离,其水分散体系与聚合物乳液均匀混合,晶层和聚合物乳液的粒子相互穿插,产生强烈的静电作用,从而形成纳米复合凝胶。其中,粘土取代传统有机交联剂BIS而扮演了无机组分和交联剂的双重角色,采用DMA、SEM、TG/DSC、IR和XRD等手段对复合凝胶进行了表征和测试。XRD曲线和IR光谱表明了粘土片层已被共聚物链段插层和剥离,形成了“三明治”插层结构,粘土片均匀分散在共聚物基质中;电镜照片显示了共聚物基质孔道更加密集,且孔道分散均匀;溶胀测试结果表明,随着粘土的加入,复合凝胶的溶胀度并没有受到很大影响,与传统共聚凝胶相比,甚至略有增加;机械性能测试结果说明,复合凝胶具有优异的机械强度和韧性,其模量随着粘土含量的增加而逐渐增大;同样,复合凝胶的热稳定性大大增强,TG/DSC曲线都表明了复合凝胶的热分解温度和熔点随着粘土含量的增加都有不同程度的提高,这归因于粘土与共聚物链段之间的作用并最终形成的插层结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 聚合物基无机/有机纳米复合材料的制备研究进展
• 1.1.1 聚合物基纳米复合材料的制备方法
• 1.1.2 聚合物基纳米复合材料的表征
• 1.1.3 聚合物基纳米复合材料的性能
• 1.1.4 聚合物基纳米复合材料的应用
• 1.1.5 聚合物基纳米复合材料研究中存在的问题
• 1.1.6 国外发展概况
• 1.2 选题依据及研究思路
• 2及其机理探讨'>第2章 溶胶-凝胶法制备纳米TiO₂及其机理探讨
• 2.1 引言
• 2的性质'>2.1.1 纳米TiO₂的性质
• 2粉体的制备方法'>2.1.2 纳米TiO₂粉体的制备方法
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂及仪器
• 2粉体的制备'>2.2.2 纳米TiO₂粉体的制备
• 2的表面改性'>2.2.3 纳米TiO₂的表面改性
• 2.2.4 结构表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 溶胶-凝胶机理探讨
• 2.3.2 溶胶-凝胶形成过程中的影响因素
• 2.3.3 红外光谱分析
• 2.3.4 扫描电镜分析
• 2.3.5 透射电镜分析
• 2.3.6 XRD曲线分析
• 2.3.7 能谱分析
• 2.4 本章小结
• 2/聚N-异丙基丙烯酰胺复合水凝胶的合成及其性能表征'>第3章 纳米TiO₂/聚N-异丙基丙烯酰胺复合水凝胶的合成及其性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂及仪器
• 2/PNIPAM复合水凝胶的合成'>3.2.2 纳米TiO₂/PNIPAM复合水凝胶的合成
• 2/PNIPAM复合水凝胶的结构和形貌表征'>3.2.3 纳米TiO₂/PNIPAM复合水凝胶的结构和形貌表征
• 2/PNIPAM复合水凝胶的性能测试'>3.2.4 纳米TiO₂/PNIPAM复合水凝胶的性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 聚合反应机理
• 3.3.2 红外光谱分析
• 3.3.3 扫描电镜分析
• 3.3.4 紫外可见光谱分析
• 3.3.5 热重分析
• 3.3.6 机械强度测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 具有高溶胀度和优异机械性能的P（MPAM-co-AA）/Clay复合凝胶的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和仪器
• 4.2.2 P（NIPAM-co-AA）/Clay复合凝胶的合成
• 4.2.3 复合凝胶的结构表征
• 4.2.4 复合凝胶的性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 聚合反应机理
• 4.3.2 反应组分投料比
• 4.3.3 红外光谱分析
• 4.3.4 X射线衍射分析
• 4.3.5 扫描电镜分析
• 4.3.6 溶胀性能测试
• 4.3.7 机械强度测试
• 4.3.8 热重分析
• 4.3.9 DSC分析
• 4.4 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果