聚合物基/纳米复合水凝胶制备与性能研究

摘要

水凝胶(Hydrogel)是以水为分散介质的一类凝胶，具有三维高分子网络结构。因兼具良好的生物相容性、吸水保水性和一定的机械强度等优点，水凝胶被广泛应用于生物医学、形状记忆元件、农业保水抗旱等诸多领域。传统的水凝胶因为具有机械强度低、性能比较单一以及光学性能差等缺点，这在某种程度上限制了其应用范围。近年来，能够感知外界微小物理化学刺激并对其做出响应的智能水凝胶受到了国内外研究者的广泛关注。本文通过向轻度交联的传统水凝胶中加入无机纳米材料如荧光纳米二氧化硅(F-SiNPs)，氧化石墨烯(GO)等，制备出了有机/无机纳米复合水凝胶。一方面，该复合水凝胶在保持了纳米材料自身特性的同时也赋予了水凝胶新的性能;另一方面，纳米材料的刚性与水凝胶的柔软性相结合也在一定程度上提高了水凝胶的机械性能。
　　本研究主要内容包括：⑴以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)作单体，N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂、过硫酸铵(APS)为引发剂、采用原位聚合的方法在荧光纳米二氧化硅(F-SiNPs)水溶液中制备了PNIPAM/F-SiNPs有机-无机纳米复合水凝胶。与性能单一的传统水凝胶相比，新和成的纳米复合水凝胶不仅对温度具有响应性，而且还被赋予了纳米二氧化硅的荧光性能。⑵以聚乙烯醇(PVA)作单体，在荧光纳米二氧化硅(F-SiNPs)存在的条件下，通过简便的冷冻-解冻循环方法制备出了具有较高机械强度的PVA/F-SiNPs纳米复合水凝胶。与纯的聚乙烯醇水凝胶相比，纳米二氧化硅的加入不仅在很大程度上提高了聚乙烯醇水凝胶的机械强度，而且赋予其荧光特性。⑶用聚乙烯醇(PVA)作第一单体，海藻酸钠(SA)作第二单体，氧化石墨烯(GO)作无机交联剂，通过一锅法合成出了具有较高机械强度和具有pH敏感性的PVA/GO/SA纳米复合双网络水凝胶。并进一步研究了GO、SA的投料量等对水凝胶机械强度的影响。测试结果表明，新合成的纳米复合双网络水凝胶不仅具有良好的力学性能，而且能对溶液pH作出响应。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 水凝胶概述

1．2．1 水凝胶的定义

1．2．2 水凝胶的分类

1．2．3 水凝胶的制备

1．2．4 水凝胶的应用

1．3 新型智能水凝胶研究进展

1．3．1 拓扑结构水凝胶

1．3．2 纳米复合水凝胶

1．3．3 双网络水凝胶

1．3．4 自修复水凝胶

1．4 聚合物基纳米复合材料

1．4．1 氧化石墨烯

1．4．2 荧光纳米材料

1．4．3 聚合物／荧光纳米复合材料

1．4．4 荧光纳米二氧化硅

1．5 本课题研究的内容和意义

1．5．1 本课题研究的主要内容

1．5．2 本课题的研究意义

第二章 热响应性荧光聚N-异丙基丙烯酰胺／纳米二氧化硅复合水凝胶的制备

2．2．1 实验所需试剂与仪器

2．2．2 氨基化荧光纳米二氧化硅(F-SiNPs)的制备

2．3．2 紫外-可见吸收光谱分析(UV-vis)

2．3．3 荧光光谱分析(UV-PL)

2．3．4 复合凝胶的循环荧光强度分析

2．3．5 场发射投射电子显微镜分析(FE-TEM)

2．3．7 场发射扫描电子显微镜分析(FE-SEM)

2．3．8 傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)

2．4．3 F-SiNPs的光学特性分析

2．4．4 复合水凝胶的场发射扫描电子显微镜分析(FE-SEM)

2．4．6 F-SiNPs／PNIPAM复合凝胶的温度敏感性分析

2．4．7 F-SiNPs和F-SiNPs／PNIPAM的x射线光电子能谱分析(XPS)

2．4．8 F-SiNPs、PNIPAM凝胶以及F-SiNPs／PNIPAM复合凝胶的红外谱图分析(FT-IR)

2．4．9 F-SiNPs／PNIPAM复合凝胶的合成路线以及批量化制备

2．5 本章小结

第三章 高强度荧光聚乙烯醇水凝胶的制备

3．1 引言

3．2．2 氨基化荧光纳米二氧化硅(F-SiNPs)的制备

3．2．3 F-SiNPs／PVA复合水凝胶的制备

3．3 分析测试

3．3．5 PVA／F-SiNPs复合水凝胶力学性能测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 X射线衍射分析(XRD)

3．4．2 凝胶场发射扫描电镜分析(FE-SEM)

3．4．3 水凝胶傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)

3．4．4 复合凝胶荧光光谱分析(UV-PL)

3．4．5 PVA／F-SiNPs复合水凝胶力学性能分析

3．5 本章小结

第四章 聚乙烯醇／氧化石墨烯／海藻酸钠高强度智能水凝胶的制备

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 氧化石墨烯的制备与纯化

4．2．3 PVA／GO／SA复合水凝胶的制备

4．3 测试分析

4．3．6 pH=7时不同冷冻-解冻循环次数下复合凝胶平衡溶胀比测试

4．3．7 复合水凝胶的红外光谱测试(FT-IR)

4．4 结果与讨论

4．4．1 不同水凝胶X射线衍射(XRD)图谱分析

4．4．2 复合水凝胶力学性能测试分析

4．4．4 扫描电镜(SEM)测试分析

4．4．5 PVA／GO／SA复合水凝胶平衡溶胀比测试分析

4．4．6 PVA／GO／SA复合水凝胶在不同pH下溶胀速率分析

4．4．7 不同冷冻-解冻循环次数下PVA／GO／SA复合水凝胶平衡溶胀比的分析

4．4．8 复合水凝胶红外谱图FT-IR分析

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文