基于丙烯酰胺类新型纳米复合凝胶的制备与表征

摘要

以化学交联剂制备的凝胶，其存在力学性能差的缺陷，限制了它在众多领域的应用。因此制备力学性能优良的凝胶引起了广大研究者的关注，先后开发了多种高力学性能的凝胶，如双网络凝胶、拓扑凝胶、四聚乙二醇凝胶以及纳米复合凝胶等。在这些凝胶中，纳米复合凝胶具有制备方法简单、原料便宜和性能优异（高力学、良好的透光性和溶胀性）等优点，因此纳米复合凝胶受到了研究者的广泛重视。
　　 本文通过引入功能性材料的方法，对纳米复合凝胶进行了研究。将甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)引入凝胶中，制备了新型PoLy(AM-co-HEMA)/Clay纳米复合凝胶;将多壁碳纳米管(MWNT)引入凝胶中，制备了新型PAM/MWNT/Clay和PNIPA/MWNT/Clay纳米复合凝胶;首次报道了水分散性无机粘土-聚苯胺复合材料的制备方法，并将其引入凝胶中，制备了新型PNIPA/PANI/Clay纳米复合凝胶。对各体系凝胶的结构与性能进行了研究和表征，取得了以下主要研究成果:
　　 1、通过原位自由基聚合法，以无机粘土(Clay)为物理交联剂和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为化学交联剂，制备了包含物理和化学双交联结构的新型Poly(AM-co-HEMA)/Clay纳米复合凝胶。研究XRD表明，无机粘土的规整结构已被破坏和剥离并随机地分散在凝胶中，同时发现高分子链间存在新的有序结构;力学实验表明，凝胶具有一定的的压缩和拉伸性能，且压缩和拉伸性能可通过改变AM和HEMA的比例进行调控。随AM含量的增加，凝胶的溶胀率增大，拉伸强度也提高。在溶胀率为3.5时，A3HC凝胶的断裂伸长率为370％，拉伸强度达到了0.48MPa。
　　 2、将MWNT引入凝胶中，以无机粘土(Clay)和MBA为交联剂，制备了包含物理和化学双交联结构的新型PAM/MWNT/Clay纳米复合凝胶。研究表明，MWNT的引入进一步提高了凝胶的力学性能和导电性。力学实验表明，相
　　 同溶胀率时，凝胶的拉伸强度和断裂伸长率均随MWNT含量的增加而增大;相同MWNT含量时，凝胶的拉伸强度和断裂伸长率均随溶胀率的减小而增大。AM2C凝胶的拉伸强度达到了0.74MPa，其断裂伸长率也达到了620％;据此提出了MWNT在长程范围加强凝胶网络结构的增强模型;内部结构研究表明，凝胶具有明显的多孔结构，孔相互连接，这种结构有利于水或其它分子的进入和迁移;同时，MWNT的引入对凝胶的导电性也有一定的贡献，在溶胀率为1.8时，AM2C凝胶的电导率可达1.03mS·cm-1。一定的力学性能和导电性，为该材料在生物传感器、化学传感器和化学阀等领域的应用奠定了基础。
　　 3、将MWNT引入凝胶中，通过原位自由基聚合法，制备了新型PNIPA/MWNT/Clay纳米复合凝胶。研究表明，MWNT的引入进一步提高了凝胶的力学性能和导电性，对凝胶的低临界溶解温度(LCST)也有一定的影响。DSC研究表明，MWNT的引入提高了凝胶的LCST，其LCST随MWNT含量的增加而升高，NM2C凝胶的LCST达到了37℃，为该材料在一些领域的应用奠定了基础;力学实验表明，凝胶均具有一定的力学性能，在溶胀率约为6.0时，NM2C凝胶的断裂伸长率为760％，拉伸强度达到了0.28MPa;同时，MWNT的引入对凝胶的导电性也有一定的贡献，在溶胀率为7.0时，NM2C凝胶的电导率可达1.09mS·cm－1;内部结构研究表明，凝胶均具有明显的多孔结构，孔径随MWNT含量的增加而增大。
　　 4、首次制备了水分散性粘土-聚苯胺(Clay-PANI)复合材料，将其引入凝胶中，制备了新型PNIPA/PANI/Clay纳米复合凝胶。研究表明，凝胶均具有一定的力学性能和导电性。力学实验表明，NAlC凝胶的断裂强度达到了19.38MPa，NA2C凝胶的断裂强度也达到了17.45MPa;内部结构研究表明，凝胶具有明显的多孔结构，孔结构均匀，且孔径和孔壁厚度随PANI含量的增加而增大;PANI的引入促进了导电网络的形成，提高了凝胶的导电率，凝胶的导电率随PANI含量的增加而增大，NA2C凝胶的导电率达到了0.91mS.cm-1。一定的力学性能、均匀的孔洞结构和导电性，为该材料的应用奠定了一定的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高分子水凝胶简介

1．2．1 高分子水凝胶理论

1．2．2 高分子水凝胶的分类

1．3 高分子水凝胶的制备与表征

1．3．1 高分子水凝胶的制备方法

1．3．2 高分子水凝胶的表征

1．4 高分子水凝胶研的究现状

1．4．1 高力学高分子水凝胶的研究

1．4．2 新型高分子水凝胶的研究

1．4．3 纳米复合凝胶的研究

1．4．4 高分子水凝胶的应用

1．4．5 高分子水凝胶的功能化设计

1．5 本文研究目的和主要内容

参考文献

第二章 新型Poly(AM-co-HEMA)/Clay纳米复合凝胶的制备与表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原料与试剂

2．2．2 Poly(AM-co-HEMA)/Clay纳米复合凝胶的制备

2．2．3 Poly(AM-co-HEMA)/Clay凝胶的结构与性能表征

2．3 结构与性能讨论

2．3．1 Poly(AM-co-HEMA)/Clay纳米复合凝胶的形成机理

2．3．2 Poly(AM-co-HEMA)/Clay凝胶的表观形态

2．3．3 Poly(AM-co-HEMA)/Clay凝胶的红外分析

2．3．4 Poly(AM-co-HEMA)/Clay凝胶中粘土状态分析

2．3．5 Poly(AM-co-HEMA)/Clay凝胶的溶胀性能研究

2．3．6 Poly(AM-co-HEMA)/Clay凝胶的内部形态分析

2．3．7 Poly(AM-co-HEMA)/Clay凝胶中水状态分析

2．3．8 Poly(AM-co-HEMA)/Clay凝胶的热性能研究

2．3．9 Poly(AM-co-HEMA)/Clay凝胶的力学性能研究

2．4 本章小结

参考文献

第三章 MWNT对PAM/Clay纳米复合凝胶性能的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料及试剂

3．2．2 PAM/MWNT/Clay纳米复合凝胶的制备

3．2．3 PAM/MWNT/Clay凝胶的结构与性能表征

3．3 结构与性能讨论

3．3．1 PAM/MWNT/Clay凝胶的表观形态

3．3．2 PAM/MWNT/Clay凝胶的制备及形成机理

3．3．3 PAM/MWNT/Clay凝胶的红外分析

3．3．4 PAM/MWNT/Clay凝胶的表面性能研究

3．3．5 PAM/MWNT/Clay凝胶的内部形态分析

3．3．6 PAM/MWNT/Clay凝胶的热性能研究

3．3．7 PAM/MWNT/Clay凝胶的力学性能研究

3．3．8 PAM/MWNT/Clay凝胶的导电性研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 新型PNIPA/MWNT/Clay纳米复合凝胶的制备与表征

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料与试剂

4．2．2 PNIPA/MWNT/Clay纳米复合凝胶的制备

4．2．3 PNIPA/MWNT/Clay凝胶的结构与性能表征

4．3 结构与性能讨论

4．3．1 PNIPA/MWNT/Clay凝胶的表观形态

4．3．2 PNIPA/MWNT/Clay凝胶的红外分析

4．3．3 PNIPA/MWNT/Clay凝胶中粘土状态分析

4．3．4 PNIPA/MWNT/Clay凝胶的相转变研究

4．3．5 PNIPA/MWNT/Clay凝胶的表面性能研究

4．3．6 PNIPA/MWNT/Clay凝胶的力学性能研究

4．3．7 PNIPA/MWNT/Clay凝胶的溶胀性能研究

4．3．8 PNIPA/MWNT/Clay凝胶的导电性研究

4．4 本章小结

参考文献

第五章 含有PANI新型PNIPA纳米复合凝胶的制备与表征

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 原料与试剂

5．2．2 水分散性粘土-聚苯胺复合材料的制备

5．2．3 PNIPA/PANI/Clay纳米复合凝胶的制备

5．2．4 PNIPA/PANI/Clay凝胶的结构与性能表征

5．3 结构与性能讨论

5．3．1 粘土-聚苯胺复合材料的形成机理

5．3．2 PNIPA/PANI/Clay凝胶的表观形态

5．3．3 PNIPA/PANI/Clay凝胶的红外分析

5．3．4 PNIPA/PANI/Clay凝胶的热性能研究

5．3．5 PNIPA/PANI/Clay凝胶的表面性能研究

5．3．6 PNIPA/PANI/Clay凝胶的内部形态分析

5．3．7 PNIPA/PANI/Clay凝胶的压缩性能研究

5．3．8 PNIPA/PANI/Clay凝胶的导电性研究

5．4 本章小结

参考文献

第六章 全文总结

致谢

攻读博士学位期间发表的部分学术论文和专利