【摘要】：以鋰藻土(Laponite)作為多官能團交聯(lián)劑制備的納米復合水凝膠具有優(yōu)異的力學強度和光學性質(zhì)。然而單純以Laponite為交聯(lián)劑無法有效提升水凝膠的剛性,且由于SiO_2等納米顆粒與凝膠體系的相容性差,導致以SiO_2等納米顆粒為交聯(lián)劑得到的凝膠韌性較低,制約了強度的進一步提高。溶膠-凝膠法可在溫和的反應條件下,合成尺寸均勻的有機/無機雜化材料,通過這種方法制備的有機/無機硅納米雜化復合水凝膠兼有無機硅材料的穩(wěn)定性和有機聚合物的功能性。基于硅烷化試劑與粘土中羥基的反應性,論文結(jié)合溶膠-凝膠法與原位自由基共聚合法,同步合成SiO_2和Laponite雙重納米復合水凝膠;通過研究雙重納米復合機制對水凝膠的力學增強,深入探討了聚合物與SiO_2間的共價鍵及非共價鍵作用對凝膠的力學增強。借助粒徑分布、zeta-電位和粘度測試研究了Laponite納米片層和SiO_2納米顆粒以及單體在水溶液分散體系中的相互作用;采用TEM和XRD測試確定Laponite和SiO_2在凝膠中的分散情況;通過凝膠的固體29Si NMR測定Laponite和SiO_2之間的共價鍵作用;利用流變測試探討兩者的作用機理,并對其微觀機理進行分析;采用拉伸和壓縮測試研究凝膠的力學性能,探明Laponite和SiO_2對凝膠強度和韌性的貢獻。基于上述研究,最終將凝膠微觀結(jié)構(gòu)與流變行為相關聯(lián),揭示雙重納米復合水凝膠力學增強的本質(zhì),為高強度水凝膠的制備和力學行為調(diào)控提供理論指導。本論文的主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下:(1)以含乙烯基的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)作為SiO_2前驅(qū)體,結(jié)合原位自由基聚合法和溶膠-凝膠法同步合成高強度雙重納米復合水凝膠聚(丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸)/Laponite/SiO_2(P(AM-co-MAA)/Laponite/SiO_2)。該凝膠以共價鍵交聯(lián)的SiO_2和Laponite為無機雜化交聯(lián)劑,能夠在100%應變時經(jīng)受32.00 MPa的壓縮強度而不斷裂,同時具有優(yōu)異的抗疲勞性。(2)在Laponite和親水性單體丙烯酰胺(AM)或N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)存在的情況下,以不含乙烯基的正硅酸乙酯(TEOS)為硅源來制備雙重納米復合水凝膠,發(fā)現(xiàn)其力學強度與單體結(jié)構(gòu)以及TEOS和Laponite的含量密切相關。無機雜化交聯(lián)劑與NIPAM間強的相互作用是聚(N-異丙基丙烯酰胺)/Laponite/SiO_2(PNIPAM/Laponite/SiO_2)雙重納米復合水凝膠具有優(yōu)異力學性能的主要原因。該水凝膠的機械增強是通過SiO_2與Laponite間的共價鍵作用以及SiO_2、Laponite分別與聚合物鏈間的物理纏繞作用來實現(xiàn)的。該凝膠的單軸拉伸試驗表現(xiàn)出高的拉伸性能(斷裂伸長率:1845%;斷裂強度:271.41 k Pa),且凝膠的模量隨TEOS含量的增加顯著提升;其壓縮強度也高達7.06 MPa,相應的斷裂能為1185.53 J·m~(-2);與此同時,該凝膠還表現(xiàn)出極好的耐疲勞性。(3)雙重納米復合水凝膠PNIPAM/Laponite/SiO_2在有機溶液中具有快速收縮/再溶脹相轉(zhuǎn)變行為,這種球粒-線團-球粒轉(zhuǎn)變行為能夠通過有機溶劑的類型和含量進行調(diào)整。凝膠-水氫鍵和凝膠-極性溶劑氫鍵的競爭形成是該凝膠具有這種特殊相轉(zhuǎn)變行為的主要原因。(4)為進一步證明雙重納米復合機制對凝膠的力學增強,以PNIPAM/Laponite和PNIPAM/Laponite/SiO_2(SiO_2)納米復合水凝膠及PNIPAM/Laponite/SiO_2(TEOS)雙重納米復合水凝膠作為研究對象,分別考察了直接加入SiO_2納米顆粒及TEOS溶膠-凝膠化得到的SiO_2納米顆粒對NIPAM/Laponite粘度的影響以及對PNIPAM/Laponite/SiO_2(SiO_2)納米復合水凝膠及PNIPAM/Laponite/SiO_2(TEOS)雙重納米復合水凝膠的動態(tài)力學性能的影響。通過凝膠的動態(tài)頻率掃描、蠕變-回復實驗以及應力松弛現(xiàn)象等揭示雙重納米復合對凝膠的增強機制,即在PNIPAM/Laponite/SiO_2(TEOS)雙重納米復合水凝膠中共價鍵連接的Laponite和SiO_2作為多官能團無機雜化交聯(lián)劑。其中,剝離的Laponite片層和SiO_2通過非共價鍵作用吸附于聚合物鏈上,該增強機制除引入了聚合物鏈斷裂、多官能團交聯(lián)劑Laponite/SiO_2以及微觀和宏觀尺度的復合物等多因素外,通過共價鍵連接的Laponite納米片層和SiO_2納米顆粒不僅增加了凝膠組分的兼容性,且其所構(gòu)成的分級結(jié)構(gòu)能夠在遭受外力時有效分散應力從而保持凝膠的彈性。(5)選用表面帶有大量羥基的粘土納米片層(膨潤土,Bentonite)、碳材料(氧化石墨烯,GO;碳量子點,C-dot)、金屬氧化物(二氧化鈦,TiO_2)和聚合物納米顆粒(納米微晶纖維素,CNCs)等分別與硅烷(MPTMS和TEOS)進行配伍來合成無機雜化交聯(lián)的雙重納米復合水凝膠,從其壓縮測試可知,SiO_2的加入確實對凝膠的強度起到了一定的增強增韌作用。因而,在選擇合適的硅烷和納米填料及p H值的前提下,雙重納米復合確實可以作為一個普遍適用的增強機制,用于高強度凝膠材料的合成。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：新疆大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ427.26

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 劉冰;方瑩;于建賓;;鑄鋼用高通量復合水口的開發(fā)[J];耐火與石灰;2012年05期

2 費建信;顧益飛;;玻纖/PPS、PTFE復合水刺濾料的研發(fā)[J];中國環(huán)保產(chǎn)業(yè);2014年02期

3 張德坤;葛世榮;沈艷秋;劉金龍;;PVA-蠶絲復合水凝膠的制備與性能評價[J];中國礦業(yè)大學學報;2007年05期

4 黃擎宇;王淑芝;;氧化鋅-聚丙烯酰胺復合水凝膠的循環(huán)伏安特性[J];大慶師范學院學報;2013年03期

5 金俊弘;史展;朱安峰;李光;江建明;;HEMA/AM/clay納米復合水凝膠的制備及性能[J];東華大學學報(自然科學版);2012年06期

6 宋紅艷;何素芹;李智慧;劉文濤;楊明成;申小清;劉玉坤;朱誠身;;溫度和pH敏感P(NIPA-co-AA)/粘土復合水凝膠的輻射制備與表征[J];高分子通報;2009年12期

7 王亞茹;戴玉芳;龔靜華;馬敬紅;;PDMAA/Clay納米復合水凝膠的制備與性能[J];東華大學學報(自然科學版);2011年06期

8 熊麗君;胡小波;劉新星;童真;;超拉伸聚合物-鋰藻土納米復合水凝膠[J];化學進展;2008年04期

9 龔梅;左奕;鄒琴;張利;李玉寶;;聚乙烯醇/聚乙烯基吡咯烷酮復合水凝膠的結(jié)構(gòu)與性能研究[J];功能材料;2009年03期

10 成艷華;夏夢閣;孟周琪;武永濤;任懷銀;姜永梅;劉洋;周哲;江曉澤;朱美芳;;納米復合水凝膠體系的設計合成與結(jié)構(gòu)功能一體化構(gòu)筑[J];高分子學報;2014年10期

相關會議論文 前10條

1 童真;;調(diào)控聚(N-異丙基丙烯酰胺)/鋰藻土納米復合水凝膠性能的簡易方法[A];2013年全國高分子學術(shù)論文報告會論文摘要集——主題F：功能高分子[C];2013年

2 戴庭陽;陸云;;高強度電活性多重網(wǎng)絡復合水凝膠的制法及性能研究[A];全國第八屆有機固體電子過程暨華人有機光電功能材料學術(shù)討論會摘要集[C];2010年

3 李文姣;麻伍軍;孟周琪;夏夢閣;朱美芳;;具有X射線阻射性的納米復合水凝膠的制備及性能研究[A];2013年全國高分子學術(shù)論文報告會論文摘要集——主題F：功能高分子[C];2013年

4 練翠霞;楊奕青;劉新星;童真;;聚(N-異丙基丙烯酰胺)-鋰藻土納米復合水凝膠的熱致增強[A];2013年全國高分子學術(shù)論文報告會論文摘要集——主題C：高分子結(jié)構(gòu)與性能[C];2013年

5 王濤;張恩重;劉新星;童真;;納米復合水凝膠取向過程的小角X射線散射(SAXS)觀察[A];2013年全國高分子學術(shù)論文報告會論文摘要集——主題D：高分子表征[C];2013年

6 李惠麗;王吉德;徐世美;;表面活性劑輔助合成離子型聚丙烯酸/Laponite納米復合水凝膠[A];中國化學會第29屆學術(shù)年會摘要集——第08分會：高分子科學[C];2014年

7 王園園;白同春;;聚乙烯醇+葡聚糖復合水凝膠的熱性能研究[A];“國際化學年在中國”——中國化學會第三屆全國熱分析動力學與熱動力學學術(shù)會議暨江蘇省第三屆熱分析技術(shù)研討會論文集[C];2011年

8 張國花;侯瑞霞;程亞軍;付俊;;可控蛋白釋放的多孔微球復合水凝膠支架制備與性能研究[A];2012年全國高分子材料科學與工程研討會學術(shù)論文集（上冊）[C];2012年

9 劉捷;王一坤;湯克勇;;明膠/聚乙烯醇復合水凝膠的研究[A];2010年兩岸三地高分子液晶態(tài)與超分子有序結(jié)構(gòu)學術(shù)研討會（暨第十一次全國高分子液晶態(tài)與超分子有序結(jié)構(gòu)學術(shù)論文報告會）會議論文集[C];2010年

10 許波;李歡軍;王宇揚;張公正;張青山;;二氧化鈦交聯(lián)的新型高強度納米復合水凝膠[A];中國化學會第十四屆膠體與界面化學會議論文摘要集——第3分會：軟物質(zhì)與超分子組織化體系[C];2013年

相關博士學位論文 前2條

1 鄧必勇;可注射型海藻酸鈉—殼聚糖復合水凝膠治療大鼠心肌梗死的實驗研究[D];復旦大學;2014年

2 杜娟;無機雜化交聯(lián)雙重納米復合水凝膠的構(gòu)建及其增強機制[D];新疆大學;2017年

相關碩士學位論文 前10條

1 陳偉科;高強度超拉伸水凝膠的制備[D];華南理工大學;2015年

2 劉源;PEG/PVA納米復合水凝膠的制備與研究[D];大連海事大學;2015年

3 劉思航;氧化石墨烯納米復合水凝膠的制備及表征[D];浙江大學;2015年

4 李亞平;聚合物/氧化石墨烯納米復合水凝膠的制備與性能研究[D];合肥工業(yè)大學;2015年

5 劉爽;高強度多功能復合水凝膠的制備與性能研究[D];武漢工程大學;2015年

6 李安;bFGF/殼聚糖衍生物/膠原復合水凝膠對mDPC6T作用的研究[D];暨南大學;2015年

7 胥杰龍;改性明膠/聚丙稀酰胺復合水凝膠及其用于軟骨缺損修復的研究[D];西南交通大學;2016年

8 葉天南;用于空氣氚吸附的碳納米管復合水凝膠的制備和性能研究[D];蘇州大學;2016年

9 汪玉辛;氧化石墨烯復合水凝膠的制備與性能研究[D];合肥工業(yè)大學;2016年

10 吳官正;羥基磷灰石及α-磷酸氫鋯納米復合水凝膠的制備及性能表征[D];福建師范大學;2016年

，

本文編號：2321632