基于静电作用的功能壳聚糖气凝胶的制备与性能研究
发布时间：2021-04-06 00:33
气凝胶是一种轻质、多孔材料,具有高孔隙率、高比表面积、低密度等特点,在建筑保温、运输贮藏、污染吸附、催化和电池等领域具有广泛的应用前景。然而,气凝胶在应用过程中,应当具备一些特殊功能,如自修复、阻燃和气体敏感等性质。具有自修复性质的气凝胶能够修复其破损处,恢复使用价值;具有阻燃性质的气凝胶能够降低火灾的发生率与烈度;而具有气体敏感性质的气凝胶能够被应用于环境监测。因此,设计多功能气凝胶具有广阔的市场价值和应用前景。本论文通过在气凝胶中引入可逆的静电作用,赋予气凝胶自修复、阻燃和气体敏感等特殊性质,并研究了气凝胶的结构与其特殊性能之间的关系。具体研究内容如下:我们在衣康酸（IA）水溶液中引入壳聚糖（CS）,冷冻干燥后形成CSA复合气凝胶。基于壳聚糖的特殊性质和氨基与羧基间的相互作用,本设计在壳聚糖复合气凝胶中构筑了可逆静电作用,不仅可以赋予壳聚糖复合气凝胶轻质低导热的性质,还可实现气凝胶的自修复性和可循环性性。研究发现:改变静电交联密度可以调控气凝胶的力学性能。当CSA-4气凝胶中氨基与羧基的摩尔比逐渐从2:1转变为1:2时,气凝胶的压缩应力也0.41MPa升高到0.57MPa。此外,通...
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一些自修复机制的示意图（蓝色为动态共价键，绿色为可逆非共价键）
1.绪论3聚物[25,26]，通过诱导发生有效的线型链延长和最小化的侧链环化，从而实现自修复。2018年，日本东京大学的相田卓三等[23]首次报道了可自动修复的硬质聚合物玻璃。如图1.2所示，他们在聚合物分子链中引入具有氢键相互作用的硫脲。当材料损伤后，破损界面处分子链间的氢键断裂。一旦在室温条件下将断裂的玻璃对接，数小时后，分子链间的氢键作用又重新形成，材料再次成为统一整体，并且不会改变其透明性质。基于氢键作用的自修复聚合物正在不断发展。通过外界引入可逆的氢键作用也可赋予材料以自修复性。2019年，Guadagno等[27]分别采用可作为氢键供体的巴比妥酸和氢键受体的胸腺嘧啶对多壁碳纳米管进行了功能化，并将功能化多壁碳纳米管嵌入橡胶增韧环氧树脂中，从而利用可逆氢键作用将自修复功能转移到热固性树脂中。结果显示，修复24小时后，材料的自修复效率超过50%。总的来说，氢键适用于极性聚合物材料。基于氢键的自修复材料具有低温可修复的优点，但其也具有修复强度较低、修复时间长等不足。此外，由于氢键具有饱和性，材料的截断面吸收水分或长时间暴露于空气中都会降低修复效果。图1.2硫脲和尿素的氢键模式的示意图[23]。Figure1.2SchematicrepresentationsoftheH-bondingmodesofthioureaandurea[23].（2）静电作用（离子键）聚合物体系中具有异种电荷的聚合物链段或单体可以通过静电吸引实现交联。聚合物材料中引入离子键或静电作用，可以促使材料具备自修复性。具体来说，与氢键类似，在外界刺激下，静电作用容易破坏和重组，同时聚合物链迁移，从而实现破损聚合物网络结构和功能的修复。
四川师范大学硕士学位论文4Lu等[28]研究了一种由聚（2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸）（PAAMPSA）、聚苯胺（PANI）和植酸（PA）组成的新型再生高分子复合物。去质子聚电解质、掺杂导电聚合物和多价阴离子在周围环境条件下（无需外界刺激，如热、光、力等），通过氢键和静电相互作用，协同构建了聚合复合物的再生动态网络，使其具有超高的延展性（1935%）和可重复的自愈性（重复修复效率＞98%），如图1.3。图1.3通过氢键和静电相互作用自愈过程示意图[28]。Figure1.3Adiagramoftheprocessofself-healingthroughhydrogenbondandelectrostaticinteraction[28].通过利用两性聚电解质间的静电作用也可用来制备具有自修复功能的水凝胶。Yang等[29]通过带正电的Ln(dpa)3-tpy-mim2（dpa=2,6-吡啶二甲酸，Ln=Eu3+，tb3+）与带负电的粘土纳米片之间的静电相互作用，制备了一系列在水的条件下稳定的、可调色的、可自修复的发光水凝胶。Tamesue等[30]利用的带正电ABA三嵌段共聚物作为线性聚合物粘合剂，与带负电的粘土纳米片（CNSs）结合，通过静电作用在水中构建良好的交联网络，提供了具有优异力学性能的高含水量可塑超分子水凝胶，如图1.4a所示。若将新的破坏断面接触，在静电作用的促进下，水凝胶能够实现在室温环境下的快速自修复。值得注意是，研究者发现该水凝胶还具有形状记忆功能，如图1.4b。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A Layered Chitosan/Graphene Oxide Sponge as Reusable Adsorbent for Removal of Heavy Metal Ions[J]. ZHANG Di,LI Ning,CAO Shuai,LIU Xi,QIAO Mingwu,ZHANG Pingan,ZHAO Qiuyan,SONG Lianjun,HUANG Xianqing. Chemical Research in Chinese Universities. 2019(03)
[2]一种高强高韧自修复聚氨酯弹性体:通过多重氢键及其堆积作用实现微相结构的精确调控（英文）[J]. 范诚杰,黄子纯,李蓓,肖文霞,郑恩,杨科珂,王玉忠. Science China Materials. 2019(08)
[3]壳聚糖止血海绵的制备及其性能[J]. 邹圣灿,林莎莎,王宝群,杨雪,明津法. 纺织导报. 2019(03)
[4]新型衣康酸三元共聚阻垢剂性能研究[J]. 余嵘,周欣桐,苏玲莉,田昭,吕芙蓉. 现代化工. 2019(03)
[5]纤维素基碳气凝胶研究进展[J]. 郭新,张建明,段咏欣. 纤维素科学与技术. 2017(01)
[6]Light weight, mechanically strong and biocompatible α-chitin aerogels from different aqueous alkali hydroxide/urea solutions[J]. Beibei Ding,Dan Zhao,Jianhui Song,Huichang Gao,Duoduo Xu,Min Xu,Xiaodong Cao,Lina Zhang,Jie Cai. Science China（Chemistry）. 2016(11)
[7]溶剂微胶囊/环氧树脂复合材料的自修复性能[J]. 马万鹏,张伟,赵阳,刘晓亭,王思捷,王晨. 高分子材料科学与工程. 2016(06)
[8]儿茶酚基聚合物-金属复合水凝胶的制备及性能[J]. 施冬健,汪飞,刘蓉瑾,陈明清. 高分子材料科学与工程. 2016(05)
[9]具有自修复功能的形状记忆聚酯的研究[J]. 王林,狄淑斌,王文玺,周绍兵. 中国科技论文. 2015(16)
[10]基于非共价键的本征型自修复聚合物材料及其应用[J]. 龚征宇,张国平,孙蓉,汪正平. 高分子通报. 2015(04)
本文编号：3120403
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一些自修复机制的示意图（蓝色为动态共价键，绿色为可逆非共价键）
1.绪论3聚物[25,26]，通过诱导发生有效的线型链延长和最小化的侧链环化，从而实现自修复。2018年，日本东京大学的相田卓三等[23]首次报道了可自动修复的硬质聚合物玻璃。如图1.2所示，他们在聚合物分子链中引入具有氢键相互作用的硫脲。当材料损伤后，破损界面处分子链间的氢键断裂。一旦在室温条件下将断裂的玻璃对接，数小时后，分子链间的氢键作用又重新形成，材料再次成为统一整体，并且不会改变其透明性质。基于氢键作用的自修复聚合物正在不断发展。通过外界引入可逆的氢键作用也可赋予材料以自修复性。2019年，Guadagno等[27]分别采用可作为氢键供体的巴比妥酸和氢键受体的胸腺嘧啶对多壁碳纳米管进行了功能化，并将功能化多壁碳纳米管嵌入橡胶增韧环氧树脂中，从而利用可逆氢键作用将自修复功能转移到热固性树脂中。结果显示，修复24小时后，材料的自修复效率超过50%。总的来说，氢键适用于极性聚合物材料。基于氢键的自修复材料具有低温可修复的优点，但其也具有修复强度较低、修复时间长等不足。此外，由于氢键具有饱和性，材料的截断面吸收水分或长时间暴露于空气中都会降低修复效果。图1.2硫脲和尿素的氢键模式的示意图[23]。Figure1.2SchematicrepresentationsoftheH-bondingmodesofthioureaandurea[23].（2）静电作用（离子键）聚合物体系中具有异种电荷的聚合物链段或单体可以通过静电吸引实现交联。聚合物材料中引入离子键或静电作用，可以促使材料具备自修复性。具体来说，与氢键类似，在外界刺激下，静电作用容易破坏和重组，同时聚合物链迁移，从而实现破损聚合物网络结构和功能的修复。
四川师范大学硕士学位论文4Lu等[28]研究了一种由聚（2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸）（PAAMPSA）、聚苯胺（PANI）和植酸（PA）组成的新型再生高分子复合物。去质子聚电解质、掺杂导电聚合物和多价阴离子在周围环境条件下（无需外界刺激，如热、光、力等），通过氢键和静电相互作用，协同构建了聚合复合物的再生动态网络，使其具有超高的延展性（1935%）和可重复的自愈性（重复修复效率＞98%），如图1.3。图1.3通过氢键和静电相互作用自愈过程示意图[28]。Figure1.3Adiagramoftheprocessofself-healingthroughhydrogenbondandelectrostaticinteraction[28].通过利用两性聚电解质间的静电作用也可用来制备具有自修复功能的水凝胶。Yang等[29]通过带正电的Ln(dpa)3-tpy-mim2（dpa=2,6-吡啶二甲酸，Ln=Eu3+，tb3+）与带负电的粘土纳米片之间的静电相互作用，制备了一系列在水的条件下稳定的、可调色的、可自修复的发光水凝胶。Tamesue等[30]利用的带正电ABA三嵌段共聚物作为线性聚合物粘合剂，与带负电的粘土纳米片（CNSs）结合，通过静电作用在水中构建良好的交联网络，提供了具有优异力学性能的高含水量可塑超分子水凝胶，如图1.4a所示。若将新的破坏断面接触，在静电作用的促进下，水凝胶能够实现在室温环境下的快速自修复。值得注意是，研究者发现该水凝胶还具有形状记忆功能，如图1.4b。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A Layered Chitosan/Graphene Oxide Sponge as Reusable Adsorbent for Removal of Heavy Metal Ions[J]. ZHANG Di,LI Ning,CAO Shuai,LIU Xi,QIAO Mingwu,ZHANG Pingan,ZHAO Qiuyan,SONG Lianjun,HUANG Xianqing. Chemical Research in Chinese Universities. 2019(03)
[2]一种高强高韧自修复聚氨酯弹性体:通过多重氢键及其堆积作用实现微相结构的精确调控（英文）[J]. 范诚杰,黄子纯,李蓓,肖文霞,郑恩,杨科珂,王玉忠. Science China Materials. 2019(08)
[3]壳聚糖止血海绵的制备及其性能[J]. 邹圣灿,林莎莎,王宝群,杨雪,明津法. 纺织导报. 2019(03)
[4]新型衣康酸三元共聚阻垢剂性能研究[J]. 余嵘,周欣桐,苏玲莉,田昭,吕芙蓉. 现代化工. 2019(03)
[5]纤维素基碳气凝胶研究进展[J]. 郭新,张建明,段咏欣. 纤维素科学与技术. 2017(01)
[6]Light weight, mechanically strong and biocompatible α-chitin aerogels from different aqueous alkali hydroxide/urea solutions[J]. Beibei Ding,Dan Zhao,Jianhui Song,Huichang Gao,Duoduo Xu,Min Xu,Xiaodong Cao,Lina Zhang,Jie Cai. Science China（Chemistry）. 2016(11)
[7]溶剂微胶囊/环氧树脂复合材料的自修复性能[J]. 马万鹏,张伟,赵阳,刘晓亭,王思捷,王晨. 高分子材料科学与工程. 2016(06)
[8]儿茶酚基聚合物-金属复合水凝胶的制备及性能[J]. 施冬健,汪飞,刘蓉瑾,陈明清. 高分子材料科学与工程. 2016(05)
[9]具有自修复功能的形状记忆聚酯的研究[J]. 王林,狄淑斌,王文玺,周绍兵. 中国科技论文. 2015(16)
[10]基于非共价键的本征型自修复聚合物材料及其应用[J]. 龚征宇,张国平,孙蓉,汪正平. 高分子通报. 2015(04)
本文编号：3120403
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