高强韧超拉伸可自愈合凝胶的制备与性能研究

发布时间：2017-09-17 02:33

  本文关键词：高强韧超拉伸可自愈合凝胶的制备与性能研究

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【摘要】：高分子凝胶是一种由具有三维网络结构的高分子聚合物和大量溶剂组成的体系。凝胶具有良好的生物相容性、超吸水性、环境响应性、抗菌性等优异性能。这些特点可使凝胶在生物医药、工业、农业、建筑等领域具有广泛的应用前景。而物理交联凝胶虽然具有较好的自愈合性能,但凝胶的稳定性和机械强度较差;化学交联凝胶虽然具有较好的稳定性和机械强度,但自愈合性能较差。如何构筑同时具备优异的机械强度和自愈合性能的凝胶,是目前研究的前沿和难点。PEO-PPO-PEO三嵌段聚合物具备优异的自组装性能,在低浓度时即可自组装成胶束,而在高浓度时可通过胶束的交联形成物理水凝胶。动态共价键是一类可逆的化学共价键,它们可以在一定的环境条件下发生可逆的断裂和重组,用动态共价键构筑凝胶,可提高凝胶体系的稳定性,并且可以通过动态共价键的交换反应,使凝胶能够发生自愈合。本论文将动态共价键的自愈合性能与PEO-PPO-PEO三嵌段聚合物的胶束物理交联相结合,制备高强韧超拉伸可自愈和的凝胶,使其不仅具有优异的力学性能,而且具备自愈合的性能。本论文的主要研究内容和研究结果如下:1、凝胶因子的合成:通过甲磺酸酯化反应、亲核取代反应和肼解反应等,分别对PEO-PPO-PEO三嵌段聚合物(Pluronic F 127,Mn=12600)、三臂星状聚乙二醇(Mn=3000)和线性聚乙二醇(Mn=2000)进行末端改性,制备了末端改性为醛基的PF127三嵌段聚合物和三臂星状聚乙二醇,以及末端改性为酰肼的三臂星状聚乙二醇和线性聚乙二醇。以上改性反应的官能化率可达95%以上。2、凝胶形成条件的探索:末端改性为醛基的PF127三嵌段聚合物和末端改性为酰肼的三臂星状聚乙二醇在pH=6的Na2HPO4/NaH2PO4缓冲溶液中通过缩合反应形成酰腙键交联的高强韧超拉伸凝胶。聚合物质量分数、溶剂的种类以及缓冲溶液的pH值对凝胶的形成具有比较显著的影响。聚合物质量分数增加时,凝胶形成时间缩短;溶剂为水时,形成的凝胶容易缩水;溶剂为有机溶剂时,凝胶难以形成;缓冲溶液的pH=7时,形成的凝胶交联密度过低。当质量分数为15%的聚合物在pH=6的Na2HPO4/NaH2PO4缓冲溶液中进行缩合反应形成凝胶时,凝胶的强度和拉伸性能能够达到最佳状态。3、凝胶高强韧超拉伸性能的研究:对成熟的凝胶进行IR测试、流变性能测试、拉伸测试、不同恢复时间的加载—卸载(loading-unloading)测试、撕裂测试、裂痕测试、溶胀测试等。测试实验结果表明聚合物质量分数为15%,溶剂为pH=6的Na2HPO4/NaH2PO4缓冲溶液的凝胶,其拉伸断裂强度为0.3MPa,拉伸断裂应变为12000%,拉伸断裂能为16.3MJ/m-3。4、凝胶高强韧超拉伸性能形成机制的研究:通过对比实验,对只含有酰腙键不含聚合物胶束的凝胶进行了力学性能测试。实验结果表明,只含有酰腙键的凝胶,其拉伸断裂强度仅为0.06MPa,拉伸断裂应变仅为4800%;而据文献报道,仅通过胶束交联的PF127物理凝胶强度不高。与同时含有酰腙键和聚合物胶束物理交联凝胶0.3MPa的拉伸断裂强度和12000%的拉伸断裂应变相比,相距甚远。因此,可以初步判定本论文所制备的凝胶的高强韧超拉伸性能是酰腙键和嵌段聚合物胶束物理交联协同作用的结果。5、凝胶自愈合性能的研究:酰腙键在酸性条件下是可逆的,可以自修复。当将两片切开的凝胶在常温下置于盛有pH=6的Na2HPO4/NaH2PO4缓冲溶液的干燥器内紧密贴合24h后,切口创伤消失,凝胶可以实现自愈合。且自愈合后的凝胶,其拉伸断裂强度、断裂应变和断裂能可以恢复到原始凝胶的95%。
【关键词】：嵌段聚合物 酰腙键 高强韧 超拉伸 自愈合
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O648.17
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-40
• 1.1 凝胶简介12-22
• 1.1.1 凝胶的定义12
• 1.1.2 凝胶的分类12-17
• 1.1.3 凝胶的制备方法17-20
• 1.1.4 凝胶的应用介绍20-22
• 1.2 高强韧超拉伸凝胶的研究进展22-25
• 1.2.1 纳米复合凝胶23
• 1.2.2 拓扑交联水凝胶23-24
• 1.2.3 双网络水凝胶24
• 1.2.4 互穿网络水凝胶24-25
• 1.2.5 疏水缔合水凝胶25
• 1.3 PEO-PPO-PEO三嵌段聚合物简介25-27
• 1.4 动态共价化学27-32
• 1.4.1 可逆亚胺键27-28
• 1.4.2 双硫键28
• 1.4.3 三硫酯键28-29
• 1.4.4 烷氧胺键29-30
• 1.4.5 DA反应30
• 1.4.6 烯烃/炔烃复分解反应30-31
• 1.4.7 酯交换反应31
• 1.4.8 酰腙键31-32
• 1.5 动态共价键与自修复材料的结合32-38
• 1.5.1 自修复材料简介32-33
• 1.5.2 动态共价键在自愈合凝胶中的应用33-38
• 1.6 本论文的研究思路和研究内容38-40
• 1.6.1 本论文的研究思路38
• 1.6.2 本论文的研究内容38-40
• 第二章 凝胶因子的合成40-53
• 2.1 引言40
• 2.2 实验部分40-47
• 2.2.1 实验药品与实验仪器40-42
• 2.2.2 凝胶因子(G1-1)的合成42-43
• 2.2.3 凝胶因子(G1-2)的合成43-44
• 2.2.4 凝胶因子(G2-1)的合成44-46
• 2.2.5 凝胶因子(G2-2)的合成46
• 2.2.6 凝胶因子的结构表征46-47
• 2.3 结果与讨论47-51
• 2.3.1 凝胶因子（G1-1）的合成及结构表征47-49
• 2.3.2 凝胶因子（G1-2）的合成及结构表征49-50
• 2.3.3 凝胶因子（G2-1）的合成及结构表征50-51
• 2.3.4 凝胶因子（G2-2）的合成及结构表征51
• 2.4 本章小结51-53
• 第三章 凝胶的制备及其高强韧超拉伸性能的研究53-78
• 3.1 引言53
• 3.2 实验部分53-65
• 3.2.1 实验药品与实验仪器53-55
• 3.2.2 溶液的配置55
• 3.2.3 凝胶的制备55-60
• 3.2.4 IR表征凝胶的化学结构60
• 3.2.5 凝胶形成判断方法60
• 3.2.6 凝胶的力学性能测试60-65
• 3.2.7 凝胶的溶胀性能测试65
• 3.2.8 聚氨酯凝胶、单一酰腙键凝胶的力学性能测试65
• 3.3 结果与讨论65-77
• 3.3.1 凝胶的IR结构表征65-66
• 3.3.2 凝胶的形成判定方法66-67
• 3.3.3 凝胶的力学性能67-75
• 3.3.4 凝胶的溶胀性能75-76
• 3.3.5 凝胶高强韧超拉伸性能的形成机制76-77
• 3.4 本章小结77-78
• 第四章 凝胶的自愈合性能研究78-83
• 4.1 引言78
• 4.2 实验部分78-80
• 4.2.1 实验药品与实验仪器78-79
• 4.2.2 愈合凝胶样品的制备79-80
• 4.2.3 凝胶的自愈合80
• 4.2.4 凝胶快速愈合的判断80
• 4.2.5 凝胶愈合后的恢复程度的判断80
• 4.3 实验结果与讨论80-82
• 4.3.1 凝胶的快速愈合现象80-81
• 4.3.2 凝胶自愈合后的力学性能81-82
• 4.4 本章小结82-83
• 结论83-85
• 参考文献85-92
• 攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果92-93
• 致谢93-94
• 附表94

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