多功能纳米复合水凝胶与石墨烯纳米复合材料的制备及性能研究

摘要

纳米复合水凝胶将纳米材料的优异性质与水凝胶本身独特的性能结合起来，使之性能协同或互补，形成单一材料所不具备的新的性能，在药物控制释放、催化剂、传感器及生物材料等领域都有很广泛的应用，因而备受关注。目前在合成上，一般需要先制备纳米材料然后再使其与单体共聚合，或者利用合成好的水凝胶作为反应场所来制备纳米复合材料。这样的合成需要多步反应，合成过程相对较复杂，也较难控制，因此，寻找新的简单有效的制备方法是目前亟待解决的一项重要课题。虽然新的纳米材料随着纳米技术的迅猛发展而层出不穷，但与之相对应的新的复合水凝胶种类则比较少，发展并合成新颖的纳米复合水凝胶具有重要的研究意义和应用前景。本论文正是基于上述考量，以合成新颖性质优异的纳米材料为基础，进而与智能水凝胶复合成具有多功能的新型复合材料。在调研大量文献的基础上，同时结合本课题组的优势，发展利用γ射线“一步”辐射等途径制备纳米复合水凝胶，并探索研究相关新材料在传感器、可控催化剂、微流体开关及加热源等方面的具体应用。
　　 本论文研究内容分述如下:
　　 1.利用γ射线辐射技术“一步”合成PNIPAM/AuNPs复合水凝胶。在这个反应体系中，PNIPAM水凝胶与AuNPs同步形成。合成过程简单，易于控制。考察了单体浓度、吸收剂量以及Au3+浓度对复合水凝胶的光学与热学性能的影响。结果表明，随着单体浓度的增加，复合凝胶中的纳米颗粒粒径随之增大，吸收剂量与Au3+浓度可以有效的控制水凝胶的温敏性与AuNPs的含量。研究了PNIPAM/AuNPs复合水凝胶优异的催化性能、可重复性，以及其利用温度导致的相变对其催化活性的可控性。
　　 2.发展γ射线辐射引发原位聚合制备了PNIPAM/GO复合水凝胶。复合水凝胶的颜色以及相变温度随着GO载入量的不同而不同。由于GO优异的光吸收能力，赋予复合水凝胶独特的光热性能，即通过近红外(NIR)激光照射可以远程控制其相变。基于NIR照射与否，这种相变是完全可逆的。GO的载入量以及光照时间可以用于控制光诱导温度的增长。利用PNIPAM/GO复合水凝胶优异的光热性能，成功的制备了一个微流体开关。
　　 3.将PNIPAM水凝胶作为一个化学反应器，在其三维网络中合成铁氧化物纳米颗粒得到PNIPAM/Fe3O4纳米复合水凝胶，并对其进行了详细的表征。由于很多的科研工作者对PNIPAM/Fe3O4纳米复合水凝胶的磁性能予以特别的关注，而忽略了其黑色的水凝胶本身的光热性能。其优异的光热性能也是第一次得到了深入的研究。实验结果表明NIR激光照射可以很快的诱使PNIPAM/Fe3O4纳米复合水凝胶相变，而且这种相变可以通过激光照射与否进行控制，具有可逆性。辐照时间越长，水凝胶周围环境温度越高。基于PNIPAM/Fe3O4纳米复合水凝胶优异的光热与磁性性能，制备了一个磁控定点光加热源。
　　 4采用γ射线辐照方法还原了水溶液中的GO，并利用X射线衍射、红外光谱等检测手段对其还原程度进行表征。如果在GO的水溶液中加入Au3+并进行辐照，经过表征证明Au3+也得到了还原并负载于还原氧化石墨烯上。在这里，Au3+的还原与GO的还原同步进行，并且复合材料中AuNP的粒径随着Au3+浓度的增加而增加。此外，考察了r-GO/AuNPs复合材料的催化性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 绪论

1．2 聚合物纳米复合材料

1．2．1 纳米复合材料

1．2．2 聚合物基纳米复合材料

1．3 纳米复合水凝胶

1．3．1 水凝胶

1．3．2 纳米复合水凝胶的定义和种类

1．3．3 纳米复合水凝胶的制备方法

1．3．4 纳米复合水凝胶的性质

1．3．5 纳米复合水凝胶的应用

1．4 石墨烯纳米复合材料

1．4．1 石墨烯与氧化石墨烯

1．4．2 石墨烯纳米复合材料

1．5 研究目的和意义

1．6 主要研究内容

参考文献

第二章 聚(N-异丙基丙烯酰胺)／金纳米复合水凝胶的辐射制备以及应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原料和试剂

2．2．2 PNIPAM／AuNP复合水凝胶的辐射合成及应用

2．2．3 样品表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 PNIPAM／AuNP复合水凝胶的合成机理

2．3．2 单体浓度对PNIPAM／AuNP复合水凝胶形成的影响

2．3．3 吸收剂量以及Au3+浓度对PNIPAM／AuNP复台水凝胶形成的影响

2．3．4 PNIPAM／AuNP复合水凝胶的催化性能

2．4 本章小结

参考文献

第三章 光热敏感聚(N-异丙基丙烯酰胺)／氧化石墨烯复合水凝胶的制备以及在微流体开关的应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料和试剂

3．2．2 PNIPAM／GO复合水凝胶的辐射合成及应用

3．2．3 样品表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 PNIPAM／GO复合水凝胶的表征

3．3．2 PNIPAM／GO复合水凝胶的光热性质

3．3．3 微流体开关应用

3．4 本章小结

参考文献

第四章 聚(N-异丙基丙烯酰胺)／Fe3O4磁性复合水凝胶的光热性质以及磁控定点光加热源的应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料和试剂

4．2．2 PNIPAM／Fe3O4复合水凝胶的合成及应用

4．2．3 样品表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 PNIPAM／Fe3O4磁性复合水凝胶的表征

4．3．2 PNIPAM／Fe3O4磁性复合水凝胶的光热性质

4．3．3 磁控定点光加热源

4．4 本章小结

参考文献

第五章 石墨烯／Au纳米复合材料的“一步”辐射合成及其催化性能

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 原料和试剂

5．2．2 r-GO／AuNP纳米复合材料的辐射合成及应用

5．2．3 样品表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 r-GO、r-GO／AuNP复合材料的表征

5．3．2 对硝基苯酚的催化还原

5．4 本章小结

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢