N-异丙基丙烯酰胺系粘土/聚合物纳米复合水凝胶的合成及结构性能

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聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)水凝胶是一种具有温度敏感性能的智能水凝胶,PNIPAAm水凝胶的这种特殊性能已被广泛应用于许多领域,如,蛋白质配体的检测,药物的释放控制以及人工肌肉等方面。然而,传统的化学交联PNIPAAm水凝胶的机械性能比较差,从而限制了它们的应用。近年来,Haraguchi等采用粘土取代传统的有机试剂作为交联剂,制备出了一系列的PNIPAAm/粘土纳米复合水凝胶。该水凝胶具有较高的拉伸强度和较大的拉伸断裂比,并且其拉伸强度随粘土含量的增加而增大。由于粘土水分散液通常具有较高的粘度,因此,难以得到高含量的粘土水分散液。有鉴于此,本论文的工作着眼于选用一种易分散的粘土,以合成高粘土含量、高力学性能的NIPPAm系纳米复合水凝胶,并通过与其他单体共聚或引入其他聚合物来调节水凝胶的力学性能、溶胀性能及温敏性能。现将主要结果总结如下:1.选用了一种改性的锂皂石(Laponite XLS,粘土S)作为交联剂,通过原位溶液聚合法,成功地制备出具有较高粘土含量的粘土S/PNIPAAm纳米复合水凝胶(S-N凝胶),并对该水凝胶力学性能、消溶胀行为以及透光率的温敏性进行了系统的测试和研究。该水凝胶具有极高的拉伸断裂强度及拉伸断裂伸长率,较快的应力松弛,较大的力学损耗以及较低的拉伸回弹率。同时,在粘土含量较高时,由于粘土片层使聚合物链亲水化,导致凝胶的宏观相变行为消失。2.采用原位聚合法成功地合成了粘土/聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰胺)纳米复合水凝胶(S-N-M凝胶)。通过调节共聚物的配比对凝胶强度及溶胀性能进行了调控,并对反应物配比对聚合过程中透光率变化的影响规律进行了研究。该纳米复合水凝胶的力学性能取决于聚合物中高分子的亲水性以及大分子链的柔性,反映过程中透光率是否变化与聚合物的亲水性有关,即聚合物亲水性越强则透光率变化越小,疏水性越强则变化越大。3.采用原位聚合的方法成功地合成了粘土/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚乙二醇纳米复合水凝胶(S-N-P凝胶)。发现聚乙二醇(PEG)的引入能使原本在高粘土含量的PNIPAAm纳米复合凝胶中消失的LCST重现,据分析应是引入的PEG占据了粘土上的一些交联位置,从而使PNIPAAm活动性增大;当加大PEG6000用量,得到了具有双临界共溶温度(UCST、LCST)的S-N-P凝胶,且凝胶的UCST及LCST皆随PEG6000含量的增加而下降,凝胶仅在十分狭窄的温度区间中具有高透明度。
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