具有多重响应性表面活性剂水凝胶的制备及性能研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:hui8554974
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以非共价相互作用构筑的水凝胶因其分子间弱的相互作用易受到外界环境的刺激,可以在宏观行为与微观结构上做出相应的变化。近年来,科学家们利用这种独特的刺激响应性,对诸多化学分子进行定制与设计,成功构筑出大量形态各异、功能多元的凝胶材料。本论文工作旨在制备一种刺激响应性超分子水凝胶,此外还探究其对几类外界环境刺激的响应特性,为智能材料的研究提供理论指导及新思路。(1)将β-环糊精(β-CD)与全氟壬酸(PFNA)复配,获得凝胶相以及沉淀相,其在扫描电子显微镜下显示均为规则的斜六面体结构。傅里叶红外光谱(FT-IR)和核磁共振(NMR)表征手段证明,主客体分子形成1:1包合物,且头尾相连,相邻通道结构彼此之间氢键缔合,有序聚集堆积以形成规则的斜六面体结构,内部三维网络包裹住水分子成功构筑水凝胶体系。流变性能测试结果显示,该水凝胶的储能模量大于损耗模量,是典型的凝胶相流变行为。(2)选取第一部分中的典型凝胶相样品33 mmol·L-1β-CD/66 mmol·L-1PFNA水凝胶,探究其在温度、超声和剪切三种外界刺激下所产生的宏观形貌以及微观形态的刺激响应性。利用DSC确定凝胶样品的相转变温度约为47℃,相转变温度以下时的升温促进结构单元的进一步堆积以形成更大尺寸的聚集体结构。相转变温度以上时,聚集体开始破碎,尺寸减小,同时在NMR、FT-IR和流变学实验的辅助测试下,证明了水凝胶在相转变温度以上时PFNA碳氟链由间扭式转变为全反式构象。当温度重新冷却至室温时,样品恢复成凝胶相,表明水凝胶对于外界温度变化的刺激具有一定的可逆响应性。超声响应结果显示,超声波的刺激性质对β-环糊精/PFNA水凝胶的微观结构具有显著影响,凝胶样品随超声时间的增长,聚集体趋于更小的微观尺寸结构,且出现了一些不同于前文所述的正方体结构。而去除超声刺激后,样品重新恢复至凝胶相,表明水凝胶对超声刺激同样具有可逆响应性。剪切刺激实验对β-环糊精/PFNA水凝胶施加以不同时长、速率的剪切刺激。在相同剪切速率下,水凝胶对不同的剪切时间可以做出相同的刺激响应,由类固态转变为类液态性质,从SEM下可以观察到其微观结构由较大尺寸的斜六面体转变为长条状与小尺寸的斜六面体。在相同的剪切时间下,不同的剪切速率可以使斜六面体结构转变为层叠菱形方片结构。剪切后的样品静置七天以上,部分样品可恢复原状,证明其具有剪切稀化和自我修复特性。
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