复合纳米水凝胶参考幻灯片

1、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,研究背景,课题主要内容及预期目标,实验方案及试剂仪器,课题可行性分析,进度安排,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

2、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,3,1,a,拉伸,b,弯曲,c,打,结,图,2,1,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

3、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

4、过程,仍然不明确,实验内容,1,凝胶样品的制备,2,粘土水溶液粘度测试,3,OC gel,结构表征,4,OC gel,性能测试,凝胶样品制备,利用氧化还原引,发体系引发单体,的聚合,在室温下,制备,NC gel,OR gel,和自交联,水凝胶用同样的,方法制备,粘土水溶液粘,度测试,用计算机控制,流变仪对不同,粘土水溶液的,粘度进行测试,研究,AAm,KPS,及,KCl,电解质含,量对粘土水溶液,粘度的影响,NC gel,结构表,征,利用傅立叶变,换红外光谱仪,对,NC gel,样品的,化学组成进行,分析,利用扫描电镜对,NC gel,内部形态,结构进行分析,NC geI,性能测,试,利用微控

5、电子万,能试验机对,NC gel,样品的拉伸强度,和断裂伸长率进,行研究,利用微控电子万,能试验机对,NC gel,样品压缩强度和,压缩条件下的弹,性回复性进行研,究,利用称重法对,NC,gel,的溶胀性能进,行研究,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(

6、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,20,0,C,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

7、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

8、 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

9、,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=(W,S,W,d,W,d,其中,W,S,为溶胀水凝胶的质,量,W,d,是干燥后的水凝胶的质量,图,4 NC gel,网络形成机理示意图,2,NC gel,是指将无机纳米颗粒引入凝胶基体，充当交联点作用，并且由,于无机纳米颗粒和凝胶基体高分子链间存在的协同作用，使凝胶的某些,性能得到改善,K. Haraguchi,等首先报道了此类凝胶，他们以在水中能够,完全剥离的纳米粘土片作为物理交联剂,未加入任何化学交联剂,利用,原位自由

10、基聚合的方法，以高分子链与粘土片间的相互作用为交联作用,制备了以,PNIPAAm,为基体的,NC gel,并对该类凝胶的成形机理进行了,深入的研究，他们认为在凝胶预聚液中，由于粘土片与引发剂间的静电,相互作用，单体首先在粘土表面原位聚合形成刷状结构，进一步交联为,凝胶,1,NC gel,预聚液中各有机组分与粘土片间相互作用研究,2,NC gel,网络中高分子链与粘土间的相互作用研究,3,自交联水凝胶的形成机理及性能研究,4,基于非共价键交联的,NC gel,形成机理,5,非共价键交联作用对,NC gel,结构性能的影响,6,粘土含量对,NC gel,结构与性能的影响,实验的预期目标,丙烯酞胺,

11、AAm,98.5,化学纯，国药集团化学,试剂有限公司,N,一乙烯基毗咯烷酮,NVP,99,百灵威化学试剂,丙烯酸,AA,98,化学纯，国药集团化学试,剂有限公司,锂皂石,Laponite,XLS (Clay-S,92.32 wt%Mg,5.34,Rockwood,公司,过硫酸钾,KPS,99.5,分析纯，国药集团化学,试剂有限公司,N,N,N,N,一四甲基乙二胺,TEMED,98,生化试剂，国药集团化学,试剂有限公司,N,N,一亚甲基双丙烯酞胺,MBA,98,化学纯，国药集团化学试,剂有限公司,氯化钾,99.5,分析纯，国药集,团化学试剂有限公司,实验试剂,计算机控制流变仪,R/S Brook

12、field Plus,Rheometer,英国,Brookfield,公司,傅立叶变换红外光谱仪,FT-IR, NEXUS-670,美国,Nicolet,扫描电镜,SEM, JSM-5600 LV,日本,JEOL,微控电子万能试验机,WDW3020,长春科新,实验仪器,课题创新点及可行性分析,创,新,点,可,行,性,分,析,1,NC gel,预聚液中有机无机组分间相互作用,NC gel,网络中高分子链与粘土,间的相互作用、非共价键交联作用对,NC gel,结构性能的影响，这些问题现在,仍不明确,1,国内外关于,NC gel,的研究较为成熟，且制备工艺相对简单，可操作性强,2,实验室具备课题理论

13、指导的老师及实验进行的必要设备及技术，且实验所需材料易得,具备充足的资金支持,3,已有相关的报道研究文献，故有参考方法及经验,试验进度安排,2017,年,10,月,2017,年,12,月,查阅相关文献,2017,年,12,月,2018,年,3,月,凝胶样品的制备,2018,年,3,月,2018,年,5,月,粘土水溶液粘度测试,2018,年,5,月,2018,年,7,月,OC gel,结构表征,2018,年,7,月,2018,年,11,月,OC gel,性能测试,参考图片,1 K. Haraguchi, T.Takehisa. Nanocomposite Hydrogels: A Unique Organic,Inorganic Network Structure with Extraordinary Mechanical, Optical,and,Swelling/De-Swelling Properties. Adu Mater,2002,14,1120,2 K. Haraguchi, H.