基于离子液体构筑的CO2响应黏弹性流体及其响应性研究

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CO2响应黏弹性流体是一类通过CO2的通入和排出来改变体系黏弹性的智能材料,并具有智能调控、清洁回收等优异特点,因此具有巨大的应用前景。目前CO2响应黏弹性流体主要是通过引入具有CO2响应的胺类溶剂或羧酸盐类物质来进行构筑的。但是,大多数胺类溶剂具有高挥发性、高毒性等弊端,对生态环境有着巨大的危害;羧酸盐类一般则不具有可逆的CO2响应性能,难以循环使用。因此,一种更加清洁、环境友好型且具有可逆调控的CO2响应黏弹性流体亟待深入研究。众所周知,离子液体是一类低毒、低挥发性、环境友好型的绿色材料。因此,本论文分别合成了具有CO2响应的离子液体表面活性剂和聚离子液体,通过与阳离子表面活性剂十四烷基三甲基溴化铵(TTAB)复配,制备了 CO2响应黏弹性流体,评价了黏弹性流体的CO2响应性,并深入探讨了其响应机理。首先,通过1,1,3,3-四甲基胍(TMG)和油酸(HOA)反应成功的制备了离子液体表面活性剂(TMG-OA)。相对于TMG溶剂,TMG-OA表现出较好的稳定性。此外,pH以及核磁测试发现TMG-OA也具有优异的CO2响应性,其CO2响应是CO2调控下TMG-OA与HOA之间的可逆转变导致的。然后将TMG-OA与阳离子表面活性剂TTAB复配,制备了具有CO2响应的黏弹性流体TMG-OA/TTAB。通过流变和动态光测试表明其具有可逆的CO2响应黏弹性行为,并利用核磁、pH以及冷冻透射电镜等测试分析了其响应机理。研究表明,TMG-OA与TTAB由于静电相互作用形成了蠕虫状胶束型黏弹性流体TMG-OA/TTAB;在CO2作用下,TMG-OA的羧酸根被质子化成羧酸,破坏了 TMG-OA与TTAB之间的静电相互作用,同时溶液中生成的油酸,在TTAB的乳化作用下形成了乳液;此外,在N2/加热下,可以实现由乳液到蠕虫状胶束体系的可逆转变。其次,为了获得具有一定热稳定性的CO2响应黏弹性流体,合成了具有CO2和温度双重响应的聚离子液体(PNIPAM-P(TMG-DA)),该聚离子液体具有更好的稳定性和优异的CO2响应性,同时通过投射电镜观察到CO2作用下聚离子液体(PNIPAM-P(TMG-DA))的微观结构可以实现从单个的聚集体到串状聚集体的可逆转变。此外,该聚离子液体在不同温度下的水力学半径变化表明其具有较好的温敏响应,并且温度敏感范围在35~50℃之间。然后将聚离子液体(PNIPAM-P(TMG-DA))与阳离子表面活性剂TTAB复配,制备了具有CO2响应的黏弹性流体PNIPAM-P(TMG-DA)/TTAB。通过显微镜、pH、动态光以及流变测试等表明其表现出优异的CO2响应性和一定的热稳定性。利用核磁、pH以及透射电镜等测试探究了其CO2响应机理,发现TTAB与PNIPAM-P(TMG-DA)之间由于静电相互吸引作用形成了短棒状网络结构,体系黏度增加;通入CO2之后,聚离子液体被质子化,增加了聚合物的疏水性,同时在TTAB的协同作用下,形成了长的致密的网络结构,体系黏度进一步增加;当继续通入CO2,聚合物部分会从溶液中析出,短棒状网络存在一定破坏,体系黏度降低;此外,在当通入N2/加热的条件下,溶液体系的聚集形态也由棒状与球状共存的状态变成了最稳定的短棒状,体系的黏度增加。
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