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聚丙烯酰胺/SiO_2纳米复合凝胶的制备及性能研究

作　者: 曾令子
导　师: 吴力立
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 纳米复合凝胶 聚丙烯酰胺 硅溶胶 溶胀性能 压缩性能
分类号: TQ427
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


传统水凝胶由于高分子链段中的亲水性基团使其具有良好的溶胀性能,但其吸水后容易破碎的特点限制了其发展。有机／无机纳米复合水凝胶兼有无机材料的强度、热稳定性以及有机聚合物的功能性,能够改善凝胶的吸水、耐热性及强度等综合性能,是目前水凝胶领域的研究热点,可广泛应用于医药、卫生农林、油田、园艺、环境保护等领域。本文加入硅溶胶以引入无机纳米粒子,以丙烯酰胺(AM)为单体、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)为交联剂、过硫酸铵(APS)为引发剂采用原位自由基聚合方法合成了聚丙烯酰胺(PAM)/SiO2纳米复合水凝胶,制备出的纳米复合凝胶的透明性好、没有气孔。并通过改变硅溶胶用量研究其对PAM/SiO2纳米复合凝胶体系的影响。采用FTIR、SEM、AFM等测试手段对产物结构进行表征。FIIR研究发现在聚丙烯酰胺交联反应中,碳碳双键消失,酰胺峰出现宽化,说明反应较完全,聚丙烯酰胺与硅溶胶表面之间存在一定的化学作用。复合凝胶微观结构表征结果显示,复合凝胶中无机相粒子(SiO2)以纳米级单分散于PAM凝胶体系中,部分纳米粒子吸附于高分子链段上面。在纳米复合凝胶体系中,无机粒子粒径最大为68 nm。而加入无机纳米粒子后的干凝胶的微观结构为多孔结构。实验详细探讨了硅溶胶用量、交联剂用量两个因素对所形成纳米复合凝胶的溶胀性能的影响。随着硅溶胶用量的增加,PAM/SiO2纳米复合凝胶的平衡溶胀率大幅下降。纳米复合水凝胶对pH、盐浓度的响应性结果表明,复合凝胶的平衡溶胀率随着溶液pH值的变化而变化,在碱性溶液中的平衡溶胀率较大。研究证明,纳米复合结构提高了PAM/SiO2纳米复合凝胶的机械强度与热力学性能。其中复合凝胶强度提高了1倍以上,在含水量较高的情况下,可达16.1KPa。复合凝胶热分析结果表明：复合凝胶玻璃化转化温度比PAM凝胶有所提高,剩余物质为SiO2固体。流变测试表明复合凝胶的凝胶化过程体现出动力学特征,硅溶胶含量越高,凝胶时间随之推迟。PAM/SiO2纳米复合凝胶兼具有无机纳米粒子和高分子凝胶的优点,本文对其性能研究结果为聚丙烯酰胺复合水凝胶提供了更为广泛的应用领域参考,同时为基于聚丙烯酰胺水凝胶作为高强度水凝胶应用提供了必要的科学数据和理论依据。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-28
  1.1 高分子水凝胶的概述  10-15
    1.1.1 高分子水凝胶的结构  10-11
    1.1.2 高分子水凝胶的种类  11-12
    1.1.3 高分子水凝胶的吸水机理  12-13
    1.1.4 高分子水凝胶的发展趋势  13-15
  1.2 高分子水凝胶的制备  15-17
    1.2.1 化学交联凝胶的制备  15-17
    1.2.2 物理共混凝胶的制备  17
  1.3 高分子水凝胶的性能  17-20
    1.3.1 高分子水凝胶溶胀-收缩性能  17-18
    1.3.2 高分子水凝胶的吸氨性能  18-19
    1.3.3 凝胶转变行为  19
    1.3.4 力学强度  19-20
  1.4 有机/无机纳米复合水凝胶的研究进展  20-24
    1.4.1 粘土交联纳米复合水凝胶  20-21
    1.4.2 氧化硅纳米复合水凝胶  21-24
    1.4.3 硅酸盐纳米插层复合水凝胶  24
  1.5 有机/无机纳米复合凝胶的表征方法  24-27
    1.5.1 目测观察  24-25
    1.5.2 凝胶溶胀动力学行为表征  25
    1.5.3 衰减全反射傅里叶变换红外光谱法  25
    1.5.4 扫描电子显微镜  25
    1.5.5 原子力显微镜  25-26
    1.5.6 热力学性能测试  26
    1.5.7 力学测试  26
    1.5.8 流变测试  26-27
  1.6 研究目的及技术路线  27-28
第二章 聚丙烯酰胺/SIO_2纳米复合凝胶合成及溶胀性能  28-48
  2.1 前言  28-29
  2.2 实验方法与原材料  29-32
    2.2.1 原料  29
    2.2.2 PAM/SiO_2纳米复合凝胶的制备  29-31
    2.2.3 测试与表征  31-32
  2.3 结果与讨论  32-46
    2.3.1 反应溶液的性质分析  32-33
    2.3.2 纳米复合凝胶的交联机理及红外光谱测试分析  33-35
    2.3.3 纳米复合凝胶的形貌  35-41
    2.3.4 纳米复合水凝胶的溶胀性能  41-46
  2.4 结论  46-48
第三章 聚丙烯酰胺/SIO_2纳米复合凝胶体系动态力学性能及热力学性能  48-62
  3.1 前言  48
  3.2 实验部分  48-50
    3.2.1 原料及仪器  48-49
    3.2.2 测试方法  49-50
  3.3 结果与讨论  50-60
    3.3.1 凝胶化测试分析  50-52
    3.3.2 压缩性能测试分析  52-57
    3.3.3 复合凝胶的热力学性能分析  57-60
  3.4 结论  60-62
第四章 结论与展望  62-64
  4.1 结论  62-63
  4.2 展望  63-64
参考文献  64-71
致谢  71-72
攻读硕士研究生期间论文发表情况  72

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 试剂与纯化学品的生产 > 胶体与半胶体物质
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