羧甲基纤维素基导电水凝胶的制备及其性能研究

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近年来,导电水凝胶引起了人们极大的兴趣,并已被应用于传感器、电容器、组织材料等领域。目前,这类材料存在的一个明显问题就是其机械强度较低,远远不能满足实际应用的需要。解决这一问题的常用方法是将导电聚合物与常规的水凝胶材料结合,使得到的复合导电水凝胶保持常规水凝胶基体的机械性质。另一方面,基于能源与环境已成为全球普遍关注的焦点问题,储量丰富的纤维素及其衍生物正被广泛用于研究新型功能材料,纤维素基水凝胶便是其一。由于纤维素基水凝胶具有良好的生物相容性和力学性能,其与导电高分子的复合已成为导电水凝胶的研究热点之一。本文以传统的互穿聚合物网络法(IPN)将羧甲基纤维素(CMC)水凝胶与聚苯胺(PAn)复合,得到CMC/PAn复合导电水凝胶。采用红外,扫描电子显微镜,热重分析和溶胀实验等测试手段研究水凝胶的分子结构,微观形貌,热稳定性和溶胀率,重点探讨各种因素对水凝胶的导电性能和力学性能的影响。1、以丙二醇二环氧丙酯(GDE)为交联剂,采用IPN两步法制备CMC/PAn复合导电水凝胶。13C-NMR,FT-IR,SEM和XRD等分析说明PAn成功进入CMC水凝胶网络。不同CMC浓度的复合水凝胶表现出相似的溶胀动力学,且拥有较高的溶胀率。实验发现,当CMC浓度为7%,n(GDE):n(AGU)=5:8时(AGU:脱氧葡萄糖单元),复合水凝胶有最好的力学强度和电导率。使用BSNa对PAn进行掺杂,电导率高达6.31×10-3S/cm。2、在第二章的基础上,使用聚乙二醇(PEG)为增强剂,植酸(PA)、苯磺酸钠(BSNa)和对甲苯磺酸钠(TsONa)为掺杂剂,改善导电水凝胶的机械性能和导电性能。结果表明:PEG的引入大大增强了复合水凝胶的力学性能,电导率随掺杂剂浓度的增加先增加后下降,BSNa掺杂效果最好,其样品电导率为1.22×10-2S/cm。FT-IR、SEM和TGA分析表明掺杂剂对复合水凝胶的形貌有较大影响,且提高了复合水凝胶的热稳定性。3、以FeCl3为交联剂和氧化剂,采用物理交联法一步合成CMC/PAn复合导电凝胶小球,通过FT-IR、SEM和EDS对凝胶小球的分子结构和微观形貌进行表征;凝胶小球的失水率和电导率主要由FeCl3、CMC和BSNa的浓度控制,当CMC浓度为4.5%、FeCl3浓度为0.5mol/L和BSNa浓度为0.4mol/L时,小球的失水率为30.2%,有最佳电导率5.2×10-3S/cm。凝胶小球对甲基蓝(MB)的吸附比较稳定,在不同浓度的MB溶液中,吸附率保持在30%50%左右,MB初始浓度在最大值14mg/L时,吸附量也有最大值17.58mg/g。
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