复合纳米水凝胶.ppt

生物工程学院 纳米复合水凝胶((NC gel)网络形成机理及其结构性能研究 报 告 人：丁毅 任课老师：王亚洲老师 学 号 ： 20171902002t 专 业 ： 生物医疗工程 目录 1、高分子水凝胶材料由于其独特的结构特征及理化性能,在柔性化学机械器件、选择性过滤、生物医药、组织工程等领域有着广泛的应用前景。 2、传统化学交联水凝胶力学性能较差,在一定程度上限制了其在诸多领域的应用,为改善凝胶的性能,一系列具有优异力学性能的新型凝胶被开发出来,其中纳米复合水凝胶由于其简单的制备方法及优异的力学性能引起了研究者的广泛关注。 研究背景 图1 凝胶吸水溶胀前与溶胀后的比较（左侧为吸水溶胀后，右侧为吸水溶胀前） 与传统凝胶相比，纳米复合凝胶在力学和透光性等方面表现出了一系列优异的性能如图2、3和所示。其优异的力学性能是由于纳米复合凝胶的制备方法和独特网络结构的贡献。化学交联凝胶的内部，交联剂通常会发生聚集，导致网络结构不均匀，聚合物链被交联剂隔断成长短不均的分子链，在发生形变时，一些在交联点间相对较短的分子链在承受外力作用，首先断裂。 图31 (a)拉伸 （b）弯曲 （c）打结 图21 化学凝胶和纳米复合凝胶力学性能对比 (a)纳米复合凝胶 (b)化学凝胶 研究背景 鉴于优异的性能,其形成机理研究也引起研究者广泛的兴.K.Haraguchi 最先提出了的理论结构模型和可能的形成机理,他认为在基于有机纳米微球的复合水凝胶的设制备与功能构筑凝胶预聚液中,由于静电相互作用,自由基引发剂在纳米粘土片表面吸附,从而引发单体在粘土表面的原位自由基聚合,使链在粘土表面牢牢的吸附并进一步交联为纳米复合凝胶。然而该机理不能对存在的一些现象给出合理的解释,为进一步明确的交联机制,一些研究者对其凝胶网络结构进行了表征,在纳米粘土表面的吸附性进行了研究,也对聚合物和纳米粘土间的相互作用和键联机制进行了非常系统的研究。但是网络中高分子链与无机粘土片间的键联机制及凝胶网络结构的形成过程仍然不明确。 实验内容 实验流程及方法 凝胶样品的制备 粘土和AAm单体溶于去离子水中形成透明的水溶液，在搅拌过程中通氮气lh之后向体系内加入催化TEMED并缓慢的滴加1 %KPS水溶液，随后此凝胶预聚液转移至密闭的玻璃管中(内径为5.5 mm和12 mm两种)，室温下聚合24小时即得NC gel。所有试样中，水与引发剂的质量比以及催化剂的浓度分别固定在1500/1(w/w)和10-6 g.ml-1 。OR gel和自交联水凝胶用同样的方法制备，且两种凝胶中均无无机粘土加入，不同的是OR gel中使用的交联剂为MBA，自交联水凝胶中不使用任何交联剂。 粘土水溶液粘度测试 粘土水溶液中粘土质量分数固定为10%。研究AAm, KPS及KCl电解质含量对粘土水溶液粘度的影响。粘度测试所有样品均在同一温(200C)和同样的测试程序下完成，为消除时间对粘土水溶液粘度的影响，所有样品的搅拌时间、保温时间严格保持一致，为方便计算，AAm,KPS及KCl在凝胶预聚液中的体积均忽略不计。 OC gel结构表征 首先凝胶样品置于大量去离子水中，充分溶胀除去未反应的化学残余(如未反应的AAm单体、KPS , TEMED等)，之后在液氮中冷冻后一90℃下真空冷冻干燥48h，研成粉末KBr压片进行红外测试，为消除水汽的影响，测试前KBr压片样品在60℃真空烘箱中干燥2h利用扫描电镜((SEM, JSM-5600 LV，日本JEOL)对NC gel内部形态结构进行分析。凝胶样品室温下在去离子水中充分溶胀，达到溶胀平衡后，液氮中冷冻脆断，在一90℃下真空冷冻干燥48h，利用SEM观测凝胶的内部形态结构。 OC gel性能测试 拉伸强度测试采用相同尺寸的水凝胶样品(直径5.5mm，长度100 mm)，测试条件如下:温度25 0C;夹具间长度为15nm;夹头速率为100mm.min-1。拉伸形变定义为长度相对于凝胶样品初始长度的变化，强度及模量按初始横截面积进行计算。 压缩测试中采用水凝胶样品的尺寸:直径12 mm，长度15 mm。压缩测试条件如下:温度25 0C;夹具间长度为15 mm;夹头速率为10mm.min-1，在NC凝胶弹性回复测试中形变固定为60%。压缩形变定义为厚度相对于凝胶样品初始厚度的变化，强度及模量按初始横截面积进行计算。 溶胀性研究：将制得的水凝胶样品室温下置于。大量去离子水中，尺寸为5 mmx30 mm(直径x长度)，每隔8小时换水一次，至水凝胶达到了溶胀平衡后，将水凝胶从去离子水中取出，小心地用滤纸吸去其表面的水份，称重后再将溶胀后的水凝胶干燥，称取干态凝胶质量。凝胶的溶胀率表示为:q=(WS-Wd)/Wd，其中，W