PNIPA納米復(fù)合水凝膠的制備與表征.pdf

1、溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPA)高分子水凝膠由于具有良好的彈性和可塑性、高吸水性以及易加工、低污染等優(yōu)點(diǎn)，并且最低臨界溶液溫度(LCST)接近人體生理學(xué)溫度，被廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)、環(huán)境工程等領(lǐng)域。然而機(jī)械強(qiáng)度不高、平衡溶脹率較低等不足之處限制了其應(yīng)用范圍。研究表明，在聚合物水凝膠網(wǎng)絡(luò)中添加功能化的納米粒子制備成溫敏性納米復(fù)合水凝膠，可使水凝膠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、溶脹吸水等性能有所改變，從而可應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。
　　 本文分別

2、將親水改性后的石墨烯顆粒和納米SiO2粒子添加到PNIPA水凝膠網(wǎng)絡(luò)中制備出PNIPA納米復(fù)合水凝膠，并通過改變納米粒子添加量研究其對復(fù)合凝膠體系性能的影響。
　　 石墨烯是一種由完美的碳六元環(huán)按二維蜂窩狀緊密堆疊成網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)并擁有較大比表面積和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)等性能的新型碳質(zhì)材料。利用FTIR、Raman、FE-SEM等方法對PNIPA/石墨烯納米復(fù)合水凝膠的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)石墨烯以片層形態(tài)比較均勻的分散于復(fù)合

3、體系網(wǎng)絡(luò)中，使復(fù)合體系干凝膠表面結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)大量褶皺，致密程度下降。隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合凝膠的溶脹率降低，而平衡溶脹率增大，并且提高了最終保水率。凝膠行為測試結(jié)果顯示，復(fù)合體系的儲能模量G’遠(yuǎn)大于損耗模量G''，且隨著石墨烯含量增大，G’平衡值最高達(dá)3500Pa，說明復(fù)合體系已形成了完整的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠。通過對凝膠點(diǎn)的測試發(fā)現(xiàn)石墨烯的引入并沒有顯著影響復(fù)合體系的LCST，仍在35℃附近，這說明了：PNIPA的分子結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生本質(zhì)變化，

4、也間接表明石墨烯粒子是以物理共混分散在PNIPA凝膠中，二者之間沒有產(chǎn)生較多的化學(xué)鍵合作用。有趣的是，濕凝膠的Raman光譜上出現(xiàn)了CO2的強(qiáng)吸收峰，表明復(fù)合凝膠體系對CO2有較強(qiáng)的吸附能力。
　　 硅溶膠為納米級的SiO2顆粒在水中或溶劑中的分散液，SiO2顆粒表面含有大量羥基。PNIPA/SiO2復(fù)合體系的FTIR與SEM測試結(jié)果表明，納米SiO2粒子分散于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中或吸附在高分子鏈段周圍，與聚合物之間存在一定的相互作用

5、，使復(fù)合體系網(wǎng)孔擴(kuò)張，交聯(lián)度降低。隨著納米SiO2的增多，凝膠的溶脹吸水、力學(xué)強(qiáng)度等性能有所改變。特別是納米SiO2含量為5wt％時，不僅復(fù)合凝膠對水的釋放速率基本趨于恒定，其復(fù)合體系破壞所能承受的壓強(qiáng)高達(dá)47.2KPa，而且儲能模量G’平衡值增大至3300Pa。凝膠行為測試結(jié)果顯示納米SiO2的引入并沒有顯著影響復(fù)合體系的LCST，這也表明納米SiO2的引入并未改變聚合物的分子結(jié)構(gòu)。
　　 納米SiO2粒子和親水改性石墨烯的引

6、入，不但能綜合納米粒子和PNIPA水凝膠材料的優(yōu)點(diǎn)，還能從某些角度使PNIPA水凝膠本身的溶脹、吸水、強(qiáng)度等性能有所改變，從而應(yīng)用于特定的領(lǐng)域。納米SiO2具有較高的表面活性，可與PNIPA大分子鏈上的酰胺基團(tuán)或氫鍵等相互作用，產(chǎn)生物理交聯(lián)，當(dāng)納米SiO2含量高時，還可適當(dāng)阻礙聚合物的化學(xué)交聯(lián)，而且凝膠網(wǎng)絡(luò)的阻隔效應(yīng)可使納米SiO2粒子在凝膠中穩(wěn)定存在，改變凝膠的力學(xué)、熱學(xué)等性能，為拓寬溫敏性智能高分子水凝膠的實(shí)際應(yīng)用范圍奠定了基礎(chǔ)。另