论文部分内容阅读
水凝胶是一种3D网络结构中包含大量水的软质材料。由于它的仿生性质和出色的生物相容性,已广泛用于生物,化工,农业及其他领域。然而,这些水凝胶在使用过程中可能会出现结构退化、功能失效等问题。受生物体自愈行为的启发,自修复水凝胶(Self-healing hydrogels)被设计开发。自修复水凝胶可以在受损后实现自身结构和功能的恢复,但传统自修复水凝胶却存在着机械强度低,韧性差等问题。本文利用“原子转移自由基聚合”(Atom transfer radical polymerization,ATRP)和“贻贝启发化学”(Mussel inspired chemistry)等绿色改性方法制备了纳米复合材料。通过在纳米粒子表面接枝聚合物链,改善了纳米粒子与聚合物之间的相容性。将其植入到以聚丙烯酸(PAA)为基材的水凝胶中得到了具有高修复能力与高机械强度的自修复水凝胶,实现了自修复水凝胶优异修复能力与力学性能的有机统一。本论文内容主要分为以下三部分:1.通过表面引发的原子转移自由基聚合(Surface initiated-atom transfer radical polymerization,SI-ATRP)和光催化改性制备自修复且坚韧的氧化石墨烯(GO)基水凝胶。具有自愈性、韧性、刚度和强度的水凝胶具有用于智能材料的巨大潜力。在此,添加改性的GO复合材料后成功地制备了自修复且坚韧的水凝胶。以GO@Bi BB为ATRP引发剂,通过SI-ATRP合成了氧化石墨烯@聚丙烯腈(GO@PAN)。GO@PAN上的氰基被转化为吡啶,为此将2,4,6-三苯基吡啶鎓四氟硼酸酯(TPPT)用作光催化剂。将制备的GO复合材料添加到通过原位自由基聚合形成的PAA水凝胶中。这些坚韧的水凝胶具有出色的机械性能(拉伸强度约为6.1 MPa)和可拉伸性(断裂伸长率约为600%)以及环境温度下90%的修复率。2.贻贝启发化学与和无金属的光诱导电子转移-原子转移自由基聚合(Metal-free photoinduced electron transfer ATRP,PET-ATRP)用于自修复纳米复合水凝胶的多孔碳表面工程。在这项工作中,通过贻贝启发化学和PET-ATRP,成功地从多孔碳纳米球(PCNs)中制备了表面功能化的微胶囊。将这些功能性微胶囊引入自修复水凝胶以增强其机械强度。通过简单的软模板方法合成的PCNs与亚麻籽油混合以装载生物质修复剂,然后通过涂覆聚多巴胺(PDA)制备微胶囊。PDA涂层用于固定ATRP引发剂,以通过PET-ATRP在微胶囊表面引发4-乙烯基吡啶(4-Vinylpyridine,4VP)的聚合。使用这些功能性微胶囊,在环境温度下4 h后水凝胶的自修复效率约为92.5%,并且可将恢复的拉伸强度保持在2.5 MPa,断裂应变为625.2%。所有结果表明,用于自修复水凝胶的表面官能化微胶囊具有显著的生物相容性和机械性能。3.设计合成寒冷环境下坚韧且双重自修复的纳米复合水凝胶。最近,在寒冷环境下具有抗冻性和愈合性能的水凝胶在科学界引起了相当大的关注。在本文中,双重自修复功能的微胶囊通过PCNs负载低温修复剂二十碳五烯酸(Eicosapentaenoic acid,EPA)和表面功能化得到。然后通过简单有效的一锅法在丙烯酸酯-瓜尔胶(AGG)和丙烯酸(Acrylic acid,AA)单体的原位共聚下获得了具有耐低温的双重自修复纳米复合水凝胶。即使在-20°C的环境下,这种自愈水凝胶仍具有70.2%的愈合效率并保持一定的机械韧性。优异的性能来自低温修复剂与动态硼酸酯键之间的协同作用。同时,改性瓜尔胶的引入增加了水凝胶的抗冰晶稳定性。这项工作为制造在寒冷环境中具有防冻和修复性能的水凝胶提供了一种新的解决方案,它可以拓宽水凝胶材料的工作温度范围。