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磁性纳米复合水凝胶的制备及其性能研究

作　者: 夏梦阁
导　师: 朱美芳
学　校: 东华大学
专　业: 材料学
关键词: 纳米复合水凝胶磁性构筑原位化学共沉淀高磁含量微球光引发
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,以无机粘土片为交联点的纳米复合(NC)凝胶在力学性能、光学透过性、溶胀性能、生物相容性方面较化学交联(OR)凝胶有了很大改善。虽然NC凝胶综合性能较好,并且对外界刺激(温度、pH、溶剂)有一定的响应性,但是关于NC凝胶光、电、磁响应的报道却十分罕见。本文针对高力学性能的凝胶难以实现磁性构筑这一难题,通过在凝胶基体中引入Fe3O4纳米粒子,成功实现了水凝胶的磁性响应。(1)针对高分子水凝胶难以实现高力学性能与磁性构筑有机统一这一难题,在PAAm基NC凝胶基体中,通过化学共沉淀法将Fe3O4纳米粒子引入凝胶网络中制备SAM凝胶,成功实现了凝胶的磁性响应。Fe3O4纳米粒子吸附在PAAm凝胶基体中,通过SEM和TEM表征方法观察到Fe3O4在NC凝胶基体中均匀分散,粒径约为60nm。研究结果表明：随着凝胶浸泡液中铁盐浓度升高,SAM凝胶饱和磁化强度(Ms)增加；随着凝胶预聚液中单体AAm的浓度增加,SAM凝胶Ms增加；随着凝胶预聚液中无机粘土比例增加,SAM凝胶Ms降低,进一步说明Fe3O4纳米粒子与凝胶网络中PAAm分子链的非共价键作用使得该凝胶表现出优异的磁性能,其磁性能可以通过凝胶预聚液中单体、交联点或者浸泡液中铁离子的浓度调控。(2)针对SAM凝胶单一磁性响应的缺陷,在具有亲水-疏水转变的PNIPA凝胶网络结构中,通过原位化学共沉淀方法引入Fe3O4纳米粒子,制备温度、磁性双重响应的SNM凝胶。Fe3O4纳米粒子吸附在PNIPA凝胶基体中,通过SEM和TEM表征方法观察到Fe3O4在NC凝胶基体中均匀分散,粒径约为50nm。研究结果表明：随着凝胶中Fe3O4纳米粒子含量增加,SNM凝胶的平衡溶胀率和退溶胀率降低,而其Ms增加；随着凝胶预聚液中单体NIPA的浓度增加,SNM凝胶Ms增加；随着凝胶预聚液中无机粘土比例增加,SNM凝胶Ms降低,进一步说明Fe3O4纳米粒子与凝胶网络中PNIPA分子链的非共价键作用使得该凝胶表现出优异的磁性能,其磁性能可以通过凝胶预聚液中单体、交联点或者浸泡液中铁离子的浓度调控。(3)目前,聚合物/粘土体系的NC凝胶存在磁性构筑时间长和磁性粒子含量难以精确控制的问题。针对这一关键问题,首先通过细乳液聚合在PS纳米粒子内部引入15nm的磁性Fe3O4纳米粒子,随后在PS表面接枝可聚合光引发剂HMEM,成功制备了具有紫外光引发活性的Fe3O4/PS/HMEM纳米微球乳液,微球的粒径约为105nm,粒径分布均匀,无裸露的Fe3O4纳米粒子存在,杂化微球的Ms为41.89emu/g,无机Fe3O4含量高达50wt%。这种新型的Fe3O4/PS/HMEM杂化微球集引发活性、交联作用、磁性响应于一体,并且具有磁含量可控的优点。(4)将具有磁性功能和引发活性的Fe3O4/PS/HMEM杂化微球引入凝胶合成体系充当交联结构,在磁性微球乳液中加入单体AAm,通过紫外光引发微球表面原位自由基聚合,制备具有均一网络结构的MAT凝胶。同时,系统研究了光照时间、磁性乳液浓度、单体浓度对MAT凝胶内部形态、动态力学性能、溶胀性能的影响。将Fe3O4纳米粒子引入凝胶三维网络结构中制备磁性纳米复合水凝胶,具有工艺简单、聚合过程可控、成型时间短、原料成本低等优点,为凝胶的磁性构筑提供了一种新的方法,开拓了设计具有优异力学性能的磁性凝胶的新途径,拓展了智能凝胶在磁控传感开关、药物靶向释放、生物医学及化学机械等领域的应用。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-28
  1.1 引言  12
  1.2 水凝胶的分类  12-15
    1.2.1 温度响应水凝胶  12-14
    1.2.2 pH响应水凝胶  14
    1.2.3 电场响应水凝胶  14
    1.2.4 磁场响应水凝胶  14-15
  1.3 高力学性能水凝胶的制备  15-20
    1.3.1 拓扑凝胶(Topological Gel,TP凝胶)  15
    1.3.2 双网络凝胶(Double Network Gel,DN凝胶)  15-16
    1.3.3 纳米复合凝胶(Nanocomposite Gel,NC凝胶)  16-18
    1.3.4 大分子交联凝胶(Macromolecules cross-linked gel,MC凝胶)  18
    1.3.5 光引发制备凝胶(Photo-initiated gel,PI凝胶)  18-20
  1.4 水凝胶的应用  20-24
    1.4.1 形状记忆材料  20
    1.4.2 高吸水材料  20-21
    1.4.3 药物载体释放  21
    1.4.4 细胞培养基质  21-22
    1.4.5 自修复材料  22
    1.4.6 纳米微通道  22-24
  1.5 磁性纳米复合水凝胶的研究进展  24-26
    1.5.1 成型前引入磁性粒子制备水凝胶  24-25
    1.5.2 成型后引入磁性粒子制备水凝胶  25
    1.5.3 交联点引入磁性粒子制备水凝胶  25-26
  1.6 有机/无机纳米复合水凝胶的发展趋势  26-27
  1.7 本文研究内容  27-28
第二章丙烯酰胺基磁性纳米复合水凝胶(SAM)的制备及其性能研究  28-39
  2.1 引言  28
  2.2 实验部分  28-30
    2.2.1 试剂  28-29
    2.2.2 纳米复合水凝胶的制备  29
    2.2.3 纳米复合水凝胶的磁性构筑  29
    2.2.4 测试与表征  29-30
  2.3 结果与讨论  30-38
    2.3.1 傅立叶变换红外光谱  31-32
    2.3.2 X射线衍射  32-33
    2.3.3 凝胶内部形态结构表征  33-34
    2.3.4 磁性纳米复合水凝胶的磁性能  34-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章 N-异丙基丙烯酰胺基磁性纳米复合水凝胶(SNM)的制备及其性能研究  39-54
  3.1 引言  39
  3.2 实验部分  39-42
    3.2.1 试剂  39
    3.2.2 纳米复合水凝胶的制备  39-40
    3.2.3 纳米复合水凝胶的磁性构筑  40
    3.2.4 测试与表征  40-42
  3.3 结果与讨论  42-53
    3.3.1 傅立叶变换红外光谱  43-44
    3.3.2 X射线衍射  44-45
    3.3.3 凝胶内部形态结构表征  45-46
    3.3.4 磁性纳米复合水凝胶的磁性能  46-50
    3.3.5 磁性纳米复合水凝胶的热稳定性  50
    3.3.6 磁性纳米复合水凝胶溶胀/退溶胀  50-52
    3.3.7 磁性纳米复合水凝胶的LCST变化  52-53
  3.4 本章小结  53-54
第四章以磁性杂化微球为交联点的纳米复合水凝胶(MAT)的制备及其性能研究  54-81
  4.1 引言  54
  4.2 实验部分  54-59
    4.2.1 试剂  54-55
    4.2.2 光引发剂合成  55
    4.2.3 磁流体制备  55
    4.2.4 具有光引发活性的磁性杂化微球的制备  55-56
    4.2.5 磁性凝胶的制备  56
    4.2.6 测试与表征  56-59
  4.3 结果与讨论  59-80
    4.3.1 光引发剂的合成及表征  59-62
    4.3.2 四氧化三铁磁流体的制备及其表征  62-66
    4.3.3 光引发活性的有机/无机磁性杂化微球的制备及其表征  66-70
    4.3.4 磁性纳米微球复合水凝胶的表征  70-80
  4.4 本章小结  80-81
第五章全文总结及展望  81-82
参考文献  82-87
致谢  87-88
硕士研究生期间发表论文、申请专利及参研项目  88

磁性纳米复合水凝胶的制备及其性能研究

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