聚乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶的制备与表征

摘要

本工作的主要目的是以锂藻土Laporute作为交联剂，单体在Laponite分散液中原位聚合，制备具有优异力学性能的纳米复合水凝胶(nanocompostie hydrogel，NC gel)。研究工作的基本思路是首先通过原位聚合制备NC凝胶，观察凝胶反应体系的透光率变化和NC凝胶的染色性，从Laporute和单体的含量与结构上探讨影响NC凝胶溶胀行为的因素。然后由拉伸-回缩和不同拉伸速率下的实验观测NC凝胶在大应变下的分子链松弛运动，探索NC凝胶具有优异力学性能的本质，利用拉伸和动态粘弹谱的数据，分别计算了凝胶的有效网链密度Ⅳ以及N*，证明了Laponite在NC凝胶中充当交联剂的作用。本工作的主要内容和结果如下：
　　 1.分别以凝胶型的锂藻土Laponite XLG和溶胶型的锂藻土Laponite XLS为交联剂，N-乙烯基乙酰胺(NVA)和N-甲基-N-乙烯基乙酰胺(NMVA)为单体，采用热引发和UV引发两种方式，合成了四种NC凝胶-G-M、G-N、S-M和S-N凝胶。从NC凝胶的凝胶化机理和分子链亲水性两方面，探讨了NC凝胶反应体系的透光率存在突变的原因。使用阳离子染料时，NC凝胶具有优异的染色性，这与Laponite粒子和分子链的电荷性质有关。
　　 2.考察了四种NC凝胶的溶胀行为。当NC凝胶中的Laponite XLS含量高于一个特定值(与单体种类有关)时，凝胶的溶胀比一时间曲线将出现峰值。NC凝胶的平衡溶胀比与Laponite的含量和种类有关。研究表明凝胶中少量Laponite粒子被剥离出来，进入溶剂中，导致了溶胀比一时间曲线出现峰值。
　　 3.小应变下(γ=0.5％)的等温频率扫描实验证明了在NC凝胶中形成了以Laponite粒子交联面的交联网络结构。合成的NC凝胶具有优异的力学性能。NC凝胶的断裂伸长率超过1000％，断裂强度超过50 kPa，最大甚至可达3000％，800 kPa(锂藻土含量较低(2 w/v％)的NC凝胶除外)：凝胶型的Laponite XLG凝胶化能力较溶胶型的LaponiteXLS更强。因此当Laponite含量相同时，G-M和G-N凝胶的拉伸强度大于S-M和S-N凝胶。
　　 4.为了揭示NC凝胶具有优异力学性能的本质，对NC凝胶进行拉伸.回缩测试，并且考察了不同拉伸速率下NC凝胶在高拉伸时的分子链松弛运动。在一定范围内提高Laporute含量，能显著提高凝胶的断裂强度和伸长率。Laponite含量较低的凝胶，凝胶的断裂强度和伸长率不受拉伸速率的影响；Laponite含量较高的凝胶，增大拉伸速率时，凝胶的断裂强度升高，断裂伸长率降低。在拉伸.回缩测试中，Laponite含量较高的NC凝胶滞后圈大于含量较低的NC凝胶；Laponite含量相同，用NVA合成的NC凝胶滞后圈小于用NMVA合成的NC凝胶。研究表明NC凝胶的拉伸性能来源于Laponite粒子交联面间的网链可以适当的松弛以及有较低的网链密度，并且网链的松弛程度与单体以及Lapolute的含量和种类有关。利用拉伸和动态粘弹谱的数据，分别计算了凝胶的有效网链密度Ⅳ以及N*，证明了Laponite在NC凝胶中充当交联剂的作用，Ⅳ以及N*均随着Laponite含量的增加而略有增大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 锂藻土Laponite的结构及性质

1.1.1 Laponite的结构

1.1.2 Laponite水分散体系的性质

1.2 聚合物/Laponite纳米复合水凝胶的制备与结构

1.2.1 原位聚合

1.2.2 Laponite纳米复合水凝胶结构

1.3 聚合物/Laponite纳米复合水凝胶的物理性质

1.4 展望

1.5 本工作目的与内容

第二章 聚乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶制备及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂

2.2.2 聚N-乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶的制备

2.2.3 聚N-甲基-N-乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶的制备

2.2.4 本文中试样名称简写

2.2.5 分析与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 Laponite XLG、XLS水分散液的Zeta电位与粒径分布

2.3.2 聚乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶的形态与染色性

2.3.3 聚乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶的透光性

2.3.4 聚乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶的溶胀行为

2.3.5 聚乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶的力学性能

2.3.6 聚乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶的动态粘弹性

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢