氧化石墨烯/Laponite双重纳米复合水凝胶的合成及性能

摘要

纳米复合水凝胶由于合成简单易于引入新功能而备受人们关注。双重纳米复合水凝胶旨在通过双重增强机理进一步提高凝胶强度。而仅对凝胶进行增强，性能较为单一，仍不能满足应用需求，在此基础上赋予其功能性，比如电性能、温敏性、pH响应性等，可适用于更多领域。因此，双重纳米复合水凝胶的机理研究以及赋予其新的功能性是拟解决的问题。
　　本文以丙烯酰胺(AM)为单体，氧化石墨烯(GO)和Laponite为交联剂和增强填料，通过原位聚合的方法制备力学性能良好的双重纳米复合水凝胶，探讨GO和Laponite的双重增强机理，并引入电性能，合成导电水凝胶。主要工作包括：
　　(1) AM在GO和Laponite混合分散液中原位自由基聚合制备具有高力学性能的双重纳米复合水凝胶。通过混合分散液的流变测试，证实 GO和 Laponite之间存在相互作用，促使Laponite能够吸附在GO的表面及边缘，防止GO进一步聚沉。FTIR、XRD和HRTEM测试说明双重纳米复合水凝胶的成功合成及无机纳米片层在水凝胶网络中的均匀分散。而GO和Laponite的均匀分散有效地改善了水凝胶的机械性能，拉伸强度最高为391 kPa，断裂伸长率为1420%。通过流变测试研究水凝胶的网络结构，发现GO含量低的水凝胶具有更高的网链密度和机械性能，而 Laponite含量越高，水凝胶机械性能越高，说明 Laponite是更有效的交联剂。同时，GO和Laponite的引入，极大地提高了水凝胶的玻璃化转变温度。故GO和Laponite的双重增强机制能有效改善水凝胶的机械强度，并提供了韧性水凝胶的合成新思路。
　　(2)为了满足更多的应用需求，在高强度双重纳米复合水凝胶中引入电性能，合成力学性能良好的导电水凝胶。主要通过界面聚合的方法，在水凝胶网络中，原位聚合苯胺制备具有半互穿结构的导电水凝胶。导电水凝胶的拉伸强度为20 kPa，断裂伸长率为300%，且具有良好的压缩回复性能，经过5次循环压缩，仍能回复到初始位置。利用循环伏安技术、恒流充放电技术、交流阻抗技术对导电水凝胶电化学性能进行测试，显示GO和Laponite大的比表面积能为导电聚苯胺链的电荷存储及转移提供更大的暴露面积，有助于电化学性能的提高。所有导电水凝胶中，在电流密度为1 A/g时，比电容最高可达136 F/g，可应用于小型柔软电容器、储能设备等。
　　(3)界面聚合过程中，由于水凝胶网络中水的引入会降低凝胶整体的机械性能，对聚苯胺进行亲水改性后再进行交联聚合制备导电水凝胶可以很好地解决这一问题。在制备聚苯胺/聚丙烯酸/GO复合物水分散液基础上，将交联剂Laponite、单体 AM加入其中形成预聚液，成功制备了力学性能更高的导电水凝胶，整体机械强度提高8倍，达180 kPa。通过电化学性能表征，发现导电水凝胶的比电容较复合物明显降低，当电流密度为1 A/g时，比电容仅为75 F/g。可能原因在于活性材料的含量较低，仅为0.4 wt%，导致被大量PAM链阻隔，形成不连续分布，最终影响了电容性能。但是导电水凝胶具有更低的传荷电阻，水凝胶网络有助于电荷转移。

目录

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第一章 文献综述

1.1 双重纳米复合水凝胶

1.2 导电水凝胶

1.2.1 导电聚苯胺水凝胶

1.2.2 导电聚苯胺水凝胶的应用

1.3 本文主要的研究思路以及研究内容

第二章 PAM/GO/Laponite双重纳米复合水凝胶的合成及机理

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品

2.2.2 PAM/GO/Laponite双重纳米复合水凝胶的合成

2.2.3 PAM/GO/Laponite双重纳米复合水凝胶的结构表征及性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 PAM/GO/Laponite双重纳米复合水凝胶的合成

2.3.2 PAM/GO/Laponite双重纳米复合水凝胶的机械性能

2.3.3 PAM/GO/Laponite双重纳米复合水凝胶的粘弹性

2.3.4 PAM/GO/Laponite双重纳米复合水凝胶的热行为

2.4 小结

第三章 PAM/GO/Laponite-PANi导电水凝胶的合成及性能

3.1. 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂及药品

3.2.2 PAM/GO/Laponite-PANi导电水凝胶的合成

3.2.3 PAM/GO/Laponite-PANi导电水凝胶电极的制备

3.2.4 PAM/GO/Laponite-PANi导电水凝胶的结构表征及性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 PAM/GO/Laponite-PANi导电水凝胶的合成

3.3.2 PAM/GO/Laponite-PANi导电水凝胶的机械性能

3.3.3 PAM/GO/Laponite-PANi导电水凝胶的电化学性能

3.4 小结

第四章 PANi/PAA/GO-PAM/Laponite导电水凝胶的合成及性能

4.1. 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂及药品

4.2.2导电水凝胶的合成

4.2.3复合物及导电水凝胶电极的制备

4.2.4结构表征及性能测试

4.3 结果与讨论

4.3.1复合物的合成及性能

4.3.2导电水凝胶的合成

4.3.3导电水凝胶的机械性能

4.3.4导电水凝胶的电化学性能

4.4 小结

第五章 结论与展望

参考文献

硕士研究生期间论文发表情况

致谢

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