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聚丙烯酰胺类功能性水凝胶的制备与性能研究

作　者: 史展
导　师: 金俊弘
学　校: 东华大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 水凝胶多壁碳纳米管力学性能导电性能 pH敏感性
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

功能性水凝胶是一种能显著地溶胀于水但不能溶解的三维网络或互穿网络,它能对外界刺激(如：温度、pH、溶剂、光、电场等)发生特性的响应(如：体积、形状、光学、电场等响应变化)或者具有某些特定功能。目前对功能性水凝胶的研究主要存在着以下几方面的问题：首先,水凝胶的平衡溶胀度不高；其次,水凝胶往往没有足够的机械强度以满足实际应用；再次,水凝胶的响应速度较慢,并且合成方法大多数采用的是化学引发剂引发,导致产物由于引入了引发剂等杂质而不利于在生物医药上的应用；最后,水凝胶的功能性比较单一,多数功能水凝胶只具有单个刺激响应性能,不能满足要求多种响应刺激系统的需要。因此研究高强度、响应速度快、生物相容性好且具有多功能响应的水凝胶是当前一个重要的课题。本文在第一部分以N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)和丙烯酰胺(AM)分别作为聚合单体,通过引入功能性纳米粒子碳纳米管(MWNT)来制备具有高力学强度的导电水凝胶,并全面分析了水凝胶的温度敏感性、溶胀动力学、机械性能以及导电性能；第二部分主要研究了采用无机粘土作为物理交联剂制备的丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)共聚水凝胶的pH敏感性、溶胀动力学以及机械性能,期望其在化学器械、组织工程以及药物释放系统中具有潜在的应用价值。得到如下的主要研究结果：1.温敏性PNIPA/MWNT/Clay复合水凝胶以无机粘土"Laponite XLS"为物理交联剂,多壁碳纳米管作为添加粒子,通过原位聚合制备了物理交联的PNIPA/MWNT/Clay水凝胶,研究MWNT的加入对该水凝胶的性能影响。结果表明,该凝胶具有多孔结构,并且孔洞的尺寸随着碳纳米管含量的增加有所增大。碳纳米管含量的增加,使PNIPA水凝胶的体积相转变温度(VPTT)有所升高,当其含量增加到单体的1.12%时,PNIPA的体积相转变温度增加到37℃(与人体温度相近),并且溶胀性能也有了一定的提高。凝胶的力学性能也随着碳纳米管的加入有了一定的提高。在含水率为500%时,MWNT含量最高的凝胶的断裂伸长高达900%,并且抗拉强度也达到0.35MPa,比没有加入碳纳米管的凝胶的断裂伸长提高了0.5倍,抗拉强度提高了1.3倍。由于碳纳米管本身具有良好的导电性能,因此它的引入使得水凝胶的导电性能有一定的增加,在含水率为700%时,凝胶的电导率最高可达1.09 ms/cm,并且含水率的降低使得其导电率有所增加。2.PAM/MWNT/Clay复合水凝胶以无机粘土"Laponite XLS"和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺分别作为物理交联剂和化学交联剂制备出了具有良好力学性能的PAM/MWNT/Clay水凝胶。研究发现,该凝胶具有良好的压缩性能,撤去负荷后形变几乎可以瞬间恢复,此外通过对该凝胶的力学性能测试,表明凝胶的抗拉强度和断裂伸长率随含水率的减小而增大。在相同含水率的情况下,随着凝胶中碳纳米管含量的增加,其抗拉强度和断裂伸长率都有所增大。导电性测试结果表明,在含水率较低的情况下MWNT具有较高的浓度,有利于MWNT形成内部连通的网络,有利于导电粒子的传输,从而使得电导率有所提高。3.PAM/HEMA/Clay复合水凝胶以无机粘土"Laponite XLS"为物理交联剂制备了具有pH敏感性的PAM/HEMA/Clay水凝胶。SEM观察到该凝胶具有明显的多孔结构,并且孔洞分布较为均匀,这也为该凝胶具有良好的吸水性提供了依据。由于AM中的酰胺基-CONH2较HEMA中的羟基-OH更容易与水分子形成氢键,所以丙烯酰胺含量较高的凝胶具有较高的溶胀比。通过pH敏感性测试可以发现,该共聚凝胶具有敏感的pH响应性,在pH值为7时出现溶胀度最低点。PAM/HEMA/Clay纳米复合水凝胶具有良好力学性能,在卸去载荷后凝胶形状可以迅速恢复。在溶胀度为350%时,丙烯酰胺含量较高的凝胶的断裂伸长率达到400%,抗拉强度可达0.5 MPa。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-32
  1.1 引言  13
  1.2 水凝胶的分类  13-17
    1.2.1 按凝胶尺寸分类  14
    1.2.2 按凝胶交联方式分类  14
    1.2.3 按对外界刺激响应分类  14-17
  1.3 水凝胶的合成技术  17
    1.3.1 化学交联  17
    1.3.2 物理交联  17
  1.4 水凝胶材料的功能及应用  17-21
    1.4.1 药物可控释放  18-19
    1.4.2 在组织工程方面的应用  19-20
    1.4.3 生物感应器件  20
    1.4.4 电容器  20-21
  1.5 高分子水凝胶的研究进展  21-27
    1.5.1 纳米复合水凝胶  21-24
    1.5.2 碳纳米管复合水凝胶  24-26
    1.5.3 导电水凝胶  26-27
  1.6 本课题的研究目的和主要研究内容  27-28
  参考文献  28-32
第二章 PNIPA/MWNT/Clay复合水凝胶的制备及性能研究  32-50
  2.1 引言  32-33
  2.2 实验部分  33-36
    2.2.1 原料与试剂  33
    2.2.2 PNIPA/MWNT/Clay水凝胶的制备  33-34
    2.2.3 水凝胶粘土的去除  34
    2.2.4 测试与表征  34-36
  2.3 结果与讨论  36-47
    2.3.1 形态分析  36
    2.3.2 PNIPA/MWNT/Clay水凝胶的结构  36-38
    2.3.3 水凝胶的XRD谱图  38-39
    2.3.4 水凝胶的DSC分析  39-40
    2.3.5 接触角测试  40-41
    2.3.6 水凝胶的形态观察  41-42
    2.3.7 溶胀度测试  42-43
    2.3.8 PNIPA/MWNT/Clay水凝胶的力学性能  43-46
    2.3.9 PNIPA/MWNT/Clay水凝胶的导电性能  46-47
  2.4 结论  47-48
  参考文献  48-50
第三章 PAM/MWNT/Clay凝胶的制备与性能研究  50-63
  3.1 引言  50-51
  3.2 实验部分  51-53
    3.2.1 原料及试剂  51
    3.2.2 PAM/MWNT/Clay水凝胶的制备  51-52
    3.2.3 测试与表征  52-53
  3.3 结果与讨论  53-60
    3.3.1 形态分析  53-54
    3.3.2 红外谱图分析  54-55
    3.3.3 热重分析  55
    3.3.4 扫描电镜图像分析  55-56
    3.3.5 溶胀比测试结果与分析  56-57
    3.3.6 力学性能分析  57-59
    3.3.7 导电性能分析  59-60
  3.4. 结论  60-61
  参考文献  61-63
第四章 PAM/HEMA/Clay共聚水凝胶的制备及性能研究  63-78
  4.1 引言  63
  4.2 实验部分  63-65
    4.2.1 原料与试剂  63-64
    4.2.2 PAM/HEMA/Clay水凝胶的制备  64
    4.2.3 测试与表征  64-65
  4.3 结果与讨论  65-74
    4.3.1 水凝胶的物理外观  65-67
    4.3.2 PAM/HEMA/Clay水凝胶的结构  67
    4.3.3 XRD分析  67-68
    4.3.4 热重分析  68-69
    4.3.5 DSC分析  69-70
    4.3.6 接触角测试  70-71
    4.3.7 电镜分析  71-72
    4.3.8 溶胀度测试  72-73
    4.3.9 力学性能测试  73-74
  4.4 结论  74-76
  参考文献  76-78
第五章全文总结与展望  78-80
  5.1 温敏性PNIPA/MWNT/Clay复合水凝胶  78
  5.2 PAM/MWNT/Clay复合水凝胶  78-79
  5.3 PAM/HEMA/Clay共聚水凝胶  79
  5.4 功能性水凝胶研究展望  79-80
附录一:攻读硕士期间发表论文及学术成果情况  80-81
附录二:致谢  81

聚丙烯酰胺类功能性水凝胶的制备与性能研究

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