聚乙烯基乙酰胺/锂藻土纳米复合水凝胶的制备与表征

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本工作的主要目的是以锂藻土Laporute作为交联剂,单体在Laponite分散液中原位聚合,制备具有优异力学性能的纳米复合水凝胶(nanocompostie hydrogel,NC gel)。研究工作的基本思路是首先通过原位聚合制备NC凝胶,观察凝胶反应体系的透光率变化和NC凝胶的染色性,从Laporute和单体的含量与结构上探讨影响NC凝胶溶胀行为的因素。然后由拉伸-回缩和不同拉伸速率下的实验观测NC凝胶在大应变下的分子链松弛运动,探索NC凝胶具有优异力学性能的本质,利用拉伸和动态粘弹谱的数据,分别计算了凝胶的有效网链密度Ⅳ以及N*,证明了Laponite在NC凝胶中充当交联剂的作用。本工作的主要内容和结果如下:   1.分别以凝胶型的锂藻土Laponite XLG和溶胶型的锂藻土Laponite XLS为交联剂,N-乙烯基乙酰胺(NVA)和N-甲基-N-乙烯基乙酰胺(NMVA)为单体,采用热引发和UV引发两种方式,合成了四种NC凝胶-G-M、G-N、S-M和S-N凝胶。从NC凝胶的凝胶化机理和分子链亲水性两方面,探讨了NC凝胶反应体系的透光率存在突变的原因。使用阳离子染料时,NC凝胶具有优异的染色性,这与Laponite粒子和分子链的电荷性质有关。   2.考察了四种NC凝胶的溶胀行为。当NC凝胶中的Laponite XLS含量高于一个特定值(与单体种类有关)时,凝胶的溶胀比一时间曲线将出现峰值。NC凝胶的平衡溶胀比与Laponite的含量和种类有关。研究表明凝胶中少量Laponite粒子被剥离出来,进入溶剂中,导致了溶胀比一时间曲线出现峰值。   3.小应变下(γ=0.5%)的等温频率扫描实验证明了在NC凝胶中形成了以Laponite粒子交联面的交联网络结构。合成的NC凝胶具有优异的力学性能。NC凝胶的断裂伸长率超过1000%,断裂强度超过50 kPa,最大甚至可达3000%,800 kPa(锂藻土含量较低(2 w/v%)的NC凝胶除外):凝胶型的Laponite XLG凝胶化能力较溶胶型的LaponiteXLS更强。因此当Laponite含量相同时,G-M和G-N凝胶的拉伸强度大于S-M和S-N凝胶。   4.为了揭示NC凝胶具有优异力学性能的本质,对NC凝胶进行拉伸.回缩测试,并且考察了不同拉伸速率下NC凝胶在高拉伸时的分子链松弛运动。在一定范围内提高Laporute含量,能显著提高凝胶的断裂强度和伸长率。Laponite含量较低的凝胶,凝胶的断裂强度和伸长率不受拉伸速率的影响;Laponite含量较高的凝胶,增大拉伸速率时,凝胶的断裂强度升高,断裂伸长率降低。在拉伸.回缩测试中,Laponite含量较高的NC凝胶滞后圈大于含量较低的NC凝胶;Laponite含量相同,用NVA合成的NC凝胶滞后圈小于用NMVA合成的NC凝胶。研究表明NC凝胶的拉伸性能来源于Laponite粒子交联面间的网链可以适当的松弛以及有较低的网链密度,并且网链的松弛程度与单体以及Lapolute的含量和种类有关。利用拉伸和动态粘弹谱的数据,分别计算了凝胶的有效网链密度Ⅳ以及N*,证明了Laponite在NC凝胶中充当交联剂的作用,Ⅳ以及N*均随着Laponite含量的增加而略有增大。
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