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高强度PAA和PAM系互穿网络水凝胶的合成与性能研究

作　者: 孙慧
导　师: 林建明；吴季怀
学　校: 华侨大学
专　业: 材料学
关键词: 互穿网络水凝胶两步水溶液聚合聚丙烯酰胺聚丙烯酸淀粉聚乙烯醇环境敏感性凝胶强度表征
分类号: O648.17
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

高分子凝胶是由具有三维网络结构的亲水性或亲油性高分子聚合物吸收溶剂而溶胀形成的。智能水凝胶是一种能感知周围环境变化、而且针对环境的变化能采取相应对策的高分子材料。近年来,研究人员更注重对凝胶的敏感性进行研究,如pH敏感、温度敏感、离子强度敏感、电敏感及光敏感等。利用水凝胶的敏感性和吸附性,已将其成功地应用于生物医学与工程技术领域,但由于水凝胶在饱和溶胀状态下的机械强度较低,使其在某些领域的应用受到了限制。为了改善凝胶的机械强度,互穿网络(Interpenetrating Network,IPN)技术得以提出并得到发展。由于在IPN水凝胶中,各聚合物具有相对的独立性,可以保持各自的一些性能,因此IPN水凝胶的制备及性能研究对于水凝胶的推广应用具有深远的意义。本文提出一种制备IPN水凝胶的新方法——新型两步水溶液聚合法,并采用对比实验详细研究了两步水溶液聚合法制备的IPN,具有不同于共聚或共混法合成的聚合物的网络结构及物理性能。通过红外光谱(FTIR)表征、扫描电子显微镜(SEM)观察、热重(TGA)分析、溶胀性能及拉伸强度测试等手段分析表征了两步水溶液聚合法制备的IPN或semi-IPN所具有的独特结构和性能。结果表明:IPN水凝胶中同时存在共聚和共混两种结构,为共聚和共混复合的一种存在形式,且IPN或semi-IPN水凝胶具有与其共聚物相同甚至更高的热稳定性。相对于传统方法合成的水凝胶,采用新型两步水溶液聚合法制备的IPN水凝胶具有机械强度高、性能稳定等优点,并且保留了IPN各组分的性能,具有较高的研究价值。对于两步水溶液聚合法制备的PAA/Starch semi-IPN水凝胶,研究了不同淀粉含量对水凝胶溶胀度和溶胀速率的影响,结果表明水凝胶的溶胀以高分子链在水溶液中的松弛为主。探讨了pH敏感、开关效应以及离子强度敏感,并以Flory理论对离子型PAA/Starch semi-IPN水凝胶在不同价态盐溶液中的溶胀进行了研究。凝胶在一价阳离子盐溶液中的溶胀可以采用Flory理论进行定量计算,而在高价盐溶液中只能用于定性分析。采用该法合成的PAA/Starch semi-IPN水凝胶的压缩强度明显高于共聚法制备的水凝胶。以PAM为基体、PVA为增强体,采用两步水溶液聚合法合成了PAM/PVA IPN水凝胶。系统研究了PVA含量、交联剂用量、拉伸时间等因素对PAM/PVA IPN水凝胶拉伸强度及伸长率的影响。拉伸实验表明:随着PVA和交联剂用量的增大,PAM/PVA IPN水凝胶的拉伸强度逐渐提高,其最高拉伸强度与拉伸率分别可达2.4 MPa和3000 %。对PVA的増韧机理进行了探讨。X射线衍射(XRD)图谱表明PVA的晶型发生转变。水凝胶的宏观形貌表明:交联剂与PVA用量越多,对PAM/PVA IPN水凝胶的硬度越较大。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-32
  1.1 高分子水凝胶的分类  12-16
    1.1.1 温度敏感性水凝胶  12-13
    1.1.2 pH 敏感性水凝胶  13-14
    1.1.3 电场敏感性水凝胶  14
    1.1.4 化学物质响应性水凝胶  14-15
    1.1.5 光敏感性水凝胶  15
    1.1.6 磁敏感性水凝胶  15
    1.1.7 双重敏感水凝胶  15-16
  1.2 水凝胶的结构与性能表征方法  16-18
  1.3 高分子水凝胶的溶胀及体积相转变机理  18-19
  1.4 环境敏感水凝胶的最新研究进展  19-22
    1.4.1 快速响应水凝胶  19-20
    1.4.2 IPN 水凝胶  20-21
    1.4.3 物理交联水凝胶  21-22
    1.4.4 纳米复合水凝胶  22
  1.5 环境敏感水凝胶的应用  22-24
    1.5.1 物质分离  22-23
    1.5.2 药物缓释  23
    1.5.3 组织培养  23-24
    1.5.4 酶的固定  24
  1.6 本课题的研究背景和内容  24-26
  参考文献  26-32
第二章两步水溶液聚合法制备IPN 水凝胶  32-50
  2.1 引言  32
  2.2 实验部分  32-35
    2.2.1 实验原料  32-33
    2.2.2 实验仪器  33
    2.2.3 实验步骤  33-34
    2.2.4 工艺流程  34-35
    2.2.5 实验方法设计  35
  2.3 表征及性能分析  35-36
    2.3.1 FTIR  35-36
    2.3.2 SEM 表征  36
    2.3.3 TGA 分析  36
  2.4 结果与讨论  36-45
    2.4.1 FTIR  36-39
    2.4.2 SEM  39-42
    2.4.3 TGA  42-44
    2.4.4 溶胀性能及凝胶拉伸强度测试  44-45
  2.5 小结  45-47
  参考文献  47-50
第三章两步水溶液聚合法合成PAA/Starch Semi-IPN 水凝胶的溶胀性能  50-65
  3.1 前言  50
  3.2 实验部分  50-51
    3.2.1 实验原料  50-51
    3.2.2 实验仪器  51
    3.2.3 水凝胶的制备  51
    3.2.4 溶胀速率的测定  51
    3.2.5 敏感性的测定  51
    3.2.6 保水性的测定  51
  3.3 结果与讨论  51-61
    3.3.1 凝胶形态  51-52
    3.3.2 溶胀度的测定  52-53
    3.3.3 溶胀速率  53-55
    3.3.4 pH 敏感性与开－关效应  55-57
    3.3.5 离子强度敏感性  57-60
    3.3.6 保水性  60-61
  3.4 小结  61-62
  参考文献  62-65
第四章两步水溶液聚合法合成PAM/PVA IPN 水凝胶的机械性能  65-80
  4.1 前言  65
  4.2 实验部分  65-67
    4.2.1 实验原料  65
    4.2.2 实验仪器  65
    4.2.3 实验步骤  65-67
  4.3 性能测试  67-68
    4.3.1 拉伸强度测试  67-68
    4.3.2 断裂伸长率的测定  68
    4.3.3 ε－t 曲线的测定  68
    4.3.4 表征测试  68
  4.4 结果与讨论  68-76
    4.4.1 PVA 用量对凝胶机械强度的影响  68-70
    4.4.2 交联剂用量对凝胶机械强度的影响  70-71
    4.4.3 应力松弛  71-73
    4.4.4 XRD  73-74
    4.4.5 拉伸形貌  74-76
  4.5 小结  76-77
  参考文献  77-80
第五章结论  80-82
附录硕士研究生在读期间发表的论文  82-83
致谢  83

高强度PAA和PAM系互穿网络水凝胶的合成与性能研究

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