复合纳米水凝胶

生物工程学院 纳米复合水凝胶 NCgel 网络形成机理及其结构性能研究 报告人 丁毅任课老师 王亚洲老师学号 20171902002t专业 生物医疗工程 1 2 目录 2 2020 4 24 1 高分子水凝胶材料由于其独特的结构特征及理化性能 在柔性化学机械器件 选择性过滤 生物医药 组织工程等领域有着广泛的应用前景 2 传统化学交联水凝胶力学性能较差 在一定程度上限制了其在诸多领域的应用 为改善凝胶的性能 一系列具有优异力学性能的新型凝胶被开发出来 其中纳米复合水凝胶由于其简单的制备方法及优异的力学性能引起了研究者的广泛关注 研究背景 图1凝胶吸水溶胀前与溶胀后的比较 左侧为吸水溶胀后 右侧为吸水溶胀前 3 2 与传统凝胶相比 纳米复合凝胶在力学和透光性等方面表现出了一系列优异的性能如图2 3和所示 其优异的力学性能是由于纳米复合凝胶的制备方法和独特网络结构的贡献 化学交联凝胶的内部 交联剂通常会发生聚集 导致网络结构不均匀 聚合物链被交联剂隔断成长短不均的分子链 在发生形变时 一些在交联点间相对较短的分子链在承受外力作用 首先断裂 图31 a 拉伸 b 弯曲 c 打结 图21化学凝胶和纳米复合凝胶力学性能对比 a 纳米复合凝胶 b 化学凝胶 4 2020 4 24 研究背景 鉴于优异的性能 其形成机理研究也引起研究者广泛的兴 K Haraguchi最先提出了的理论结构模型和可能的形成机理 他认为在基于有机纳米微球的复合水凝胶的设制备与功能构筑凝胶预聚液中 由于静电相互作用 自由基引发剂在纳米粘土片表面吸附 从而引发单体在粘土表面的原位自由基聚合 使链在粘土表面牢牢的吸附并进一步交联为纳米复合凝胶 然而该机理不能对存在的一些现象给出合理的解释 为进一步明确的交联机制 一些研究者对其凝胶网络结构进行了表征 在纳米粘土表面的吸附性进行了研究 也对聚合物和纳米粘土间的相互作用和键联机制进行了非常系统的研究 但是网络中高分子链与无机粘土片间的键联机制及凝胶网络结构的形成过程仍然不明确 5 2020 4 24 实验内容 6 2 实验流程及方法 7 2020 4 24 凝胶样品的制备 粘土和AAm单体溶于去离子水中形成透明的水溶液 在搅拌过程中通氮气lh之后向体系内加入催化TEMED并缓慢的滴加1 KPS水溶液 随后此凝胶预聚液转移至密闭的玻璃管中 内径为5 5mm和12mm两种 室温下聚合24小时即得NCgel 所有试样中 水与引发剂的质量比以及催化剂的浓度分别固定在1500 1 w w 和10 6g ml 1 ORgel和自交联水凝胶用同样的方法制备 且两种凝胶中均无无机粘土加入 不同的是ORgel中使用的交联剂为MBA 自交联水凝胶中不使用任何交联剂 8 2020 4 24 粘土水溶液粘度测试 粘土水溶液中粘土质量分数固定为10 研究AAm KPS及KCl电解质含量对粘土水溶液粘度的影响 粘度测试所有样品均在同一温 200C 和同样的测试程序下完成 为消除时间对粘土水溶液粘度的影响 所有样品的搅拌时间 保温时间严格保持一致 为方便计算 AAm KPS及KCl在凝胶预聚液中的体积均忽略不计 9 2020 4 24 OCgel结构表征 首先凝胶样品置于大量去离子水中 充分溶胀除去未反应的化学残余 如未反应的AAm单体 KPS TEMED等 之后在液氮中冷冻后一90 下真空冷冻干燥48h 研成粉末KBr压片进行红外测试 为消除水汽的影响 测试前KBr压片样品在60 真空烘箱中干燥2h利用扫描电镜 SEM JSM 5600LV 日本JEOL 对NCgel内部形态结构进行分析 凝胶样品室温下在去离子水中充分溶胀 达到溶胀平衡后 液氮中冷冻脆断 在一90 下真空冷冻干燥48h 利用SEM观测凝胶的内部形态结构 10 2020 4 24 OCgel性能测试 拉伸强度测试采用相同尺寸的水凝胶样品 直径5 5mm 长度100mm 测试条件如下 温度250C 夹具间长度为15nm 夹头速率为100mm min 1 拉伸形变定义为长度相对于凝胶样品初始长度的变化 强度及模量按初始横截面积进行计算 压缩测试中采用水凝胶样品的尺寸 直径12mm 长度15mm 压缩测试条件如下 温度250C 夹具间长度为15mm 夹头速率为10mm min 1 在NC凝胶弹性回复测试中形变固定为60 压缩形变定义为厚度相对于凝胶样品初始厚度的变化 强度及模量按初始横截面积进行计算 溶胀性研究 将制得的水凝胶样品室温下置于 大量去离子水中 尺寸为5mmx30mm 直径x长度 每隔8小时换水一次 至水凝胶达到了溶胀平衡后 将水凝胶从去离子水中取出 小心地用滤纸吸去其表面的水份 称重后再将溶胀后的水凝胶干燥 称取干态凝胶质量 凝胶的溶胀率表示为 q WS Wd Wd 其中 WS为溶胀水凝胶的质量 Wd是干燥后的水凝胶的质量 11 2020 4 24 图4NCgel网络形成机理示意图2 NCgel是指将无机纳米颗粒引入凝胶基体 充当交联点作用 并且由于无机纳米颗粒和凝胶基体高分子链间存在的协同作用 使凝胶的某些性能得到改善K Haraguchi等首先报道了此类凝胶 他们以在水中能够完全剥离的纳米粘土片作为物理交联剂 未加入任何化学交联剂 利用原位自由基聚合的方法 以高分子链与粘土片间的相互作用为交联作用 制备了以PNIPAAm为基体的NCgel 并对该类凝胶的成形机理进行了深入的研究 他们认为在凝胶预聚液中 由于粘土片与引发剂间的静电相互作用 单体首先在粘土表面原位聚合形成刷状结构 进一步交联为凝胶 12 2020 4 24 1 NCgel预聚液中各有机组分与粘土片间相互作用研究2 NCgel网络中高分子链与粘土间的相互作用研究3 自交联水凝胶的形成机理及性能研究4 基于非共价键交联的NCgel形成机理5 非共价键交联作用对NCgel结构性能的影响6 粘土含量对NCgel结构与性能的影响 实验的预期目标 13 2020 4 24 实验试剂 14 2020 4 24 实验仪器 15 2020 4 24 课题创新点及可行性分析 创新点 可行性分析 1 NCgel预聚液中有机无机组分间相互作用 NCgel网络中高分子链与粘土间的相互作用 非共价键交联作用对NCgel结构性能的影响 这些问题现在仍不明确 1 国内外关于NCgel的研究较为成熟 且制备工艺相对简单 可操作性强 2 实验室具备课题理论指导的老师及实验进行的必要设备及技术 且实验所需材料易得 具备充足的资金支持 3 已有相关的报道研究文献 故有参考方法及经验 16 2 试验进度安排 17 2 参考图片 1 K Haraguchi T Takehisa NanocompositeHydrogels AUniqueOrganic InorganicNetworkStructurewithExtraordinaryMechanical Optical andSwelling De SwellingProperties AduMater 2002 14 1120 2 K Haraguchi H J Li K Matsuda TTakehisa E Elliott MechanismofFormingO