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快速响应的温敏性PNIPAAm/粘土纳米复合水凝胶的制备与性能研究

作　者: 李珍
导　师: 马敬红
学　校: 东华大学
专　业: 材料学
关键词: N-异丙基丙烯酰胺粘土纳米复合水凝胶快速响应制孔剂冷冻干燥
分类号: TQ427
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）凝胶是一种非离子型温度敏感性水凝胶，其体积相转变温度（VPTT）在32℃左右。在外界温度较低于其VPTT时，PNIPAAm水凝胶具有良好的亲水性；当温度上升至其VPTT以上时，PNIPAAm水凝胶体积收缩。基于这种特性，它在药物控制释放、酶的固定化及循环吸附材料等方面有着诱人的应用的前景。但是传统的PNIPAAm水凝胶存在机械性能差、易碎、响应速率慢及透明性差等缺点，大大限制了其应用。本文通过添加制孔剂和冷冻干燥的方法制备了具有较快响应速率和良好力学性能的温敏性PNIPAAm／粘土纳米复合水凝胶（NC gels），对这类凝胶的结构和形态、溶胀和消溶胀行为、力学性能等进行了系统的研究。主要研究结果如下：1．通过制备快速响应PNIPAAm／Clay纳米复合水凝胶的探测性试验发现，相对于碳酸钠和碳酸钙，KPS与粘土片层具有更强的离子相互作用，从而能形成稳定的三维网络结构，而聚乙二醇通过与粘土片层表面的吸附作用把粘土包附起来，使粘土片层无法起到交联剂的作用，从而无法形成三维网络结构。2．以CaCO₃为制孔剂制备得到具有快速响应速率的PNIPAAm／Clay纳米复合水凝胶（NCx／y（z）gels）。研究CaCO₃的粒径大小和不同含量对凝胶响应速率和力学性能的影响。实验结果表明，与没有加CaCO₃的PNIPAAm／粘土纳米复合水凝胶相比NCx／y（z）水凝胶的消溶胀速率得到了明显的提高，这是由于凝胶中孔洞结构的形成。凝胶中的孔洞结构由CaCO₃颗粒的大小和含量来决定的，3000目的CaCO₃比800目的CaCO₃制得的NCx／y（z）水凝胶孔洞更小，密度更高，消溶胀速度更快；并且随着CaCO₃含量的增加消溶胀速率也相应提高。由于凝胶中形成孔洞结构，NCx／y（z）水凝胶的机械性能随着CaCO₃含量的增加有所下降；但与传统的化学交联的PNIPAAm水凝胶相比，它的强度和韧性还是有明显的提高。3．以Na₂CO₃为制孔剂制备得到具有快速响应速率的PNIPAAm／Clay纳米复合水凝胶（NCx／y gels）。研究了不同粘土含量和不同Na₂CO₃含量的NCx／y水凝胶的响应速率。研究结果表明，相对于NC水凝胶，NCx／y水凝胶具有快速的响应速率，但是粘土含量和Na₂CO₃含量的变化对消溶胀速率的影响不大。4．通过冷冻干燥对NC水凝胶进行处理得到具有快速响应速率的PNIPAAm／粘土纳米复合水凝胶（FD gels）。研究了冷冻干燥过程中的水含量（Q）对于孔洞尺寸、水从凝胶中渗出的速度以及力学性能的影响。研究结果表明，在冷冻干燥过程中水含量是决定孔洞尺寸的一个很重要的因素，水含量（Q）越多，孔洞尺寸越大，水从凝胶中渗出的速度越快。FD水凝胶中的孔洞结构也导致了其抗张应力和断裂伸长的降低。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-15
第一章绪论  15-34
  1.1 引言  15
  1.2 PNIPAAm类水凝胶的合成、结构与功能的关系及应用  15-19
    1.2.1 合成  15-16
    1.2.2 结构与功能的关系  16-17
    1.2.3 应用研究  17-19
  1.3 纳米复合水凝胶  19-23
  1.4 快速响应水凝胶  23-26
    1.4.1 微凝胶或纳米凝胶  24-25
    1.4.2 大孔或超孔水凝胶  25-26
    1.4.3 具有摇摆链的水凝胶(梳型结构水凝胶)  26
  1.5 本论文的研究目的和研究内容  26-28
  参考资料  28-34
第二章快速响应PNIPAAm/粘土纳米复合水凝胶的制备过程和形成机理初探  34-50
  2.1 引言  34-35
  2.2 实验部分  35-38
    2.2.1 原料与试剂  35
    2.2.2 粘土溶液的粘度测试  35
    2.2.3 NC水凝胶的制备  35-37
    2.2.4 透射电子显微镜(TEM)  37
    2.2.5 水凝胶的红外分析  37
    2.2.6 热失重(TG)  37
    2.2.7 NC5水凝胶与NC5~*水凝胶溶胀和消溶胀行为  37-38
    2.2.8 凝胶尺寸对消溶胀行为的影响  38
  2.3 结果与讨论  38-48
    2.3.1 影响粘土水溶液粘度的因素  38-41
    2.3.2 水凝胶的结构  41
    2.3.3 红外分析(IR)  41-45
    2.3.4 水凝胶中Clay含量的确定  45-46
    2.3.5 引发剂含量对消溶胀速率的影响  46-47
    2.3.6 凝胶尺寸对消溶胀行为的影响  47-48
  2.4 本章小结  48
  参考文献  48-50
第三章以CaCO_3为制孔剂制备快速响应的温敏性PNIPAAm/粘土纳米复合水凝胶及性能研究  50-75
  3.1 引言  50-51
  3.2 实验部分  51-54
    3.2.1 原料与试剂  51
    3.2.2 水凝胶的制备  51-52
    3.2.3 水凝胶的红外分析  52
    3.2.4 水凝胶的形态观察  52-53
    3.2.5 水凝胶体积相转变温度(VPTT)的测定  53
    3.2.6 水凝胶的溶胀与消溶胀行为  53-54
    3.2.7 水凝胶的力学性能测试  54
  3.3 结果与讨论  54-73
    3.3.1 水凝胶的制备  54-55
    3.3.2 红外分析(FTIR)  55-56
    3.3.3 水凝胶的形态观察  56-60
    3.3.4 水凝胶相转变温度(VPTT)的测定  60-61
    3.3.5 水凝胶的温度敏感性  61-62
    3.3.6 水凝胶的溶胀行为  62-63
    3.3.7 水凝胶的消溶胀行为  63-66
    3.3.8 水凝胶的溶胀动力学  66-67
    3.3.9 水凝胶的再溶胀行为与动力学  67-69
    3.3.10 水凝胶的温度刺激响应性  69-70
    3.3.11 机械性能测试  70-73
  3.4 本章小结  73
  参考文献  73-75
第四章以Na_2CO_3为制孔剂制备快速响应的温敏性PNIPAAm/粘土复合水凝胶及性能研究  75-87
  4.1 引言  75
  4.2 实验部分  75-78
    4.2.1 原料与试剂  75-76
    4.2.2 水凝胶的制备  76-77
    4.2.3 水凝胶的形态观察  77
    4.2.4 水凝胶相转变温度(VPTT)的测定  77
    4.2.5 水凝胶的溶胀与消溶胀行为  77-78
    4.2.6 热失重(TG)  78
  4.3 结果与讨论  78-85
    4.3.1 水凝胶的形态观察  78-80
    4.3.2 水凝胶的体积相转变  80-81
    4.3.3 水凝胶溶胀行为的分析  81-82
    4.3.4 水凝胶消溶胀行为的分析  82-85
    4.3.5 热失重分析  85
  4.4 本章小结  85-86
  参考文献  86-87
第五章经冷冻干燥处理的PNIPAAm/粘土纳米复合水凝胶的制备与性能研究  87-98
  5.1 引言  87
  5.2 实验部分  87-89
    5.2.1 原料与试剂  87-88
    5.2.2 水凝胶的制备  88
    5.2.3 水凝胶结构与性能表征  88
    5.2.4 消溶胀与再溶胀行为  88-89
    5.2.5 机械性能  89
  5.3 结果与讨论  89-96
    5.3.1 断面形态  89-91
    5.3.2 水凝胶的相转变温度  91-92
    5.3.3 消溶胀行为的分析  92-93
    5.3.4 再溶胀行为和再溶张动力学的分析  93-95
    5.3.5 温度脉冲响应性  95
    5.3.6 机械性能  95-96
  5.4 本章小结  96-97
  参考文献  97-98
第六章全文总结  98-100
攻读硕士期间发表及待发表的论文  100-101
致谢  101

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