Laponite基纳米复合功能梯度水凝胶的制备及其性能研究

发布时间：2017-09-21 01:03

  本文关键词：Laponite基纳米复合功能梯度水凝胶的制备及其性能研究

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【摘要】：梯度功能材料(FGM)的概念在1987年最先由日本学者提出,是为了满足宇航材料所面临的超耐热和耐低温的要求。FGM一经提出便受到科研界的广泛关注,并迅速发展成为涵盖工程力学,仿生学,组织工程,细胞工程,诊断学等多学科融合的研究热点。梯度水凝胶作为一种新颖的FGM,不仅具有分子结构,化学组成以及宏观性能连续或准连续变化的特点,而且还具有良好的生物相容性,对小分子的高渗透性,光学特征以及智能响应性。然而,梯度水凝胶大都采用化学交联剂交联,导致凝胶的力学性能差。本论文主要目的是以Laponite作为多功能的物理交联剂,利用亲水性功能单体在Laponite分散液中的原位共聚和直流电场(DC-EF)诱导Laponite以及单体的各向异性分布,制备具有优异力学性能,智能响应性和催化性能的纳米复合(NC)梯度水凝胶。主要工作如下:(1)通过DC-EF(电场强度E=400 V/m)诱导物理交联剂Laponite向阳极定向迁移;同时,过硫酸钾(KPS)引发非离子单体丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯(DMAEMA)原位自由基共聚制备梯度交联密度和各向异性力学强度的有机/无机NC复合梯度水凝胶。运用罗丹明B(RB)对Laponite染色实验,红外光谱(FT-IR),热重分析(TGA)等测试,证实了水凝胶中Laponite在沿着电场的方向形成梯度分布。Laponite的梯度分布,导致水凝胶具有各向异性的交联密度和梯度变化的机械性能。梯度水凝胶与阳极的距离从3.0 cm减小到0.5 cm时,拉伸强度相应地从43.4升高到135.3 kPa,而断裂伸长率从600%增加到1300%;压缩强度则从116 kPa增加到1 100 kPa。同时,探究了Laponite的浓度对梯度水凝胶整体机械性能的影响。Laponite含量越高,梯度水凝胶整体的机械性能越好。(2)利用管状的石墨电极产生径向分布的电场(E=400 V/m)诱导Laponite形成径向的浓度梯度的同时,利用功能性单体DMAEMA和N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)原位自由基共聚制备仿竹结构的梯度温敏性NC水凝胶。在电场的诱导下,Laponite向阳极定向迁移,DMAEMA吸附在Laponite表面,并随之向阳极定向迁移,形成梯度分布。Laponite和聚合物的两种结构单元的含量在水凝胶中沿着电场的方向连续变化。分子结构和化学组成的递变性,导致水凝胶具有仿竹梯度结构。梯度水凝胶的压缩强度可达700 kPa,而且还表现出各向异性的机械强度:压缩方向与电场方向相同时,压缩强度为758 kPa,压缩方向与电场方向相反时,压缩强度为693 kPa。凝胶表现梯度温敏性。(3)以AM和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)为单体,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)作交联剂,过硫酸钾(KPS)为引发剂合成了水凝胶,然后通过共沉淀法制备了磷酸铜(CuP)@聚(AM-co-NIPAm)有机/无机复合水凝胶。利用CuP中铜的可变化合价(Cu2+—Cu+)活化分子氧,催化氧化N,N-二乙基对苯二胺硫酸盐(DPD)和邻苯二胺(OPD)等显色反应,并证明了显色反应的氧化剂为分子氧。探究了pH值,DPD浓度,反应时间,氧气分子浓度和催化剂种类对DPD显色反应的影响。同时,用Laponite取代有机交联剂制备了CuP@Laponite基聚(AM-co-NIPAm)有机/无机杂化梯度水凝胶,并用于检测DPD。
【关键词】：电场诱导 锂藻土 纳米复合 温敏性 催化氧化
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O648.17
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 第一章 引言9-21
• 1.1 梯度水凝胶概述9-11
• 1.2 梯度水凝胶的制备方法11-14
• 1.2.1 电泳法11-12
• 1.2.2 微流体技术12-13
• 1.2.3 密度梯度法13-14
• 1.2.4 冷冻-解冻法14
• 1.3 梯度水凝胶的应用14-18
• 1.3.1 人工组织中的应用15-16
• 1.3.2 细胞培养中的应用16
• 1.3.3 传感器方面的应用16-18
• 1.4 本文主要的研究思路和拟解决的问题18-21
• 第二章 聚(AM-co-DMAEMA)/Laponite NC梯度水凝胶的制备及性能21-32
• 2.1 引言21-22
• 2.2 实验22-24
• 2.2.1 实验试剂22
• 2.2.2 聚(AM-co-DMAEMA)/Laponite NC梯度水凝胶的制备22
• 2.2.3 聚(AM-co-DMAEMA)/Laponite NC梯度水凝胶的分析测试和结构表征22-23
• 2.2.4 聚(AM-co-DMAEMA)/Laponite NC梯度水凝胶的性能研究23-24
• 2.3 结果与讨论24-31
• 2.3.1 Laponite与RB的静电作用24-25
• 2.3.2 Laponite在水凝胶中的梯度分布25-28
• 2.3.3 NC梯度水凝胶的微观形貌28-29
• 2.3.4 NC梯度水凝胶的力学性能29-31
• 2.4 小结31-32
• 第三章 仿生结构的梯度温敏性聚(DMAEMA-co-DEA)/Laponite水凝胶制备及性能研究32-43
• 3.1 引言32-33
• 3.2 实验33-35
• 3.2.1 实验试剂33
• 3.2.2 聚(DMAEMA-co-DEA)/Laponite梯度水凝胶的制备33-34
• 3.2.3 聚(DMAEMA-co-DEA)/Laponite梯度水凝胶的表征34-35
• 3.2.4 聚(DMAEMA-co-DEA)/Laponite梯度水凝胶的性能测试35
• 3.3 结果与讨论35-42
• 3.3.1 梯度水凝胶的制备35-36
• 3.3.2 单体与Laponite的相互作用力36-37
• 3.3.3 Laponite和聚合物的梯度分布37-40
• 3.3.4 温度响应性能40-41
• 3.3.5 力学强度41-42
• 3.4 小结42-43
• 第四章 聚(AM-co-NIPAm)/CuP复合水凝胶的制备及其催化性能43-56
• 4.1 引言43
• 4.2 实验43-46
• 4.2.1 实验试剂43-44
• 4.2.2 水凝胶/CuP催化剂的制备44
• 4.2.3 (AM-co-NIPAm)/CuP复合水凝胶的表征44-45
• 4.2.4 (AM-co-NIPAm)/CuP水凝胶催化研究45
• 4.2.5 CuP@Laponite基聚(AM-co-NIPAm)梯度水凝胶催化DPD45-46
• 4.3 结果与讨论46-55
• 4.3.1 催化剂的制备46
• 4.3.2 催化剂的结构表征46-50
• 4.3.3 催化剂性能的研究50-54
• 4.3.4 CuP@Laponite基梯度水凝胶检测DPD54-55
• 4.4 小结55-56
• 第五章 总结与展望56-58
• 参考文献58-67
• 硕士在读期间发表论文情况67-68
• 致谢68-70

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本文编号：891439