金属氧化物纳米粒子交联的高强度纳米复合水凝胶的制备和性能研究.pdf

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1、金属氧化物纳米粒子交联的高强度纳米复合水凝胶的制备和性能研究许波2015年1月中图分类号：UDC分类号：金属氧化物纳米粒子交联的高强度纳米复合水凝胶的制备和性能研究作者姓名许波学院名称化工与环境学院指导教师张青山教授，李欢军副教授答辩委员会主席郭林教授申请学位工学博士学科专业应用化学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月StudyonSynthesisandPropertiesofMetalOxideNanoparticlesCross-linkedNanocompositeHydrogelswithH

2、ighStrengthCandidateName：Xu,BoSchoolorDepartment:SchoolofChemicalEngineeringandEnvironmentFacultyMentor:Prof.Zhang,QingshanProf.Li,HuanjunChair,ThesisCommittee：Prof.Guo,LinDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：AppliedChemistryDegreeby:BeijingInstituteofTechnol

3、ogyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要水凝胶是由交联的聚合物网络和大量水构成的一种软材料。由于具有

4、优异的亲水性、生物相容性和刺激响应性，水凝胶广泛应用于组织工程，药物控制释放，人工肌肉，生物传感器等生物医学领域。然而使用有机交联剂制备的传统水凝胶(ORgels)力学性质差，在较小外力或形变下即发生破碎，严重制约了水凝胶的实际应用，尤其是在承重系统中的应用。在过去十几年中，为了提高水凝胶的力学性质，拓展水凝胶材料的应用范围，各国研究者制备出了一系列具有高力学强度的新型水凝胶材料。其中，使用无机纳米粒子作为多功能交联剂制备的纳米复合水凝胶（NCgels）,由于具有优异的力学、光学、溶胀/消溶胀、快速响应以及其他特殊

5、性质，受到人们的广泛关注，已经成为目前水凝胶材料研究的热点。然而，长期以来，用于制备纳米复合水凝胶的纳米材料大都集中于一种人工合成的无机粘土片-LaponiteXLG，这种粘土片表面和边缘分别带负电荷和正电荷，在浓度较高时形成“卡片屋”结构，使得粘土分散液粘度增加，影响后续单体混合以及粘土在聚合物中的分散，限制了纳米复合水凝胶强度的进一步提高。近年来虽然也有其他无机或有机纳米材料，例如氧化石墨烯、纤维素纳米晶及聚苯乙烯纳米粒子等，被用于制备高强度的纳米复合水凝胶，但是作为工业上广泛应用的一类纳米材料-金属氧化物纳米

6、粒子交联的纳米复合水凝胶还鲜有报道。本文以制备新型高强度纳米复合水凝胶为目的，以二氧化钛，氧化铝以及二氧化硅纳米粒子作为交联剂，使用丙烯酸(AA)，丙烯酰胺(AM)，N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)，N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)等作为聚合单体，采用原位自由基聚合，制备了一系列具有优异力学性质的新型纳米复合水凝胶，对所制备水凝胶的交联机理，力学性质，溶胀性质，微观结构以及其他特殊性质进行了系统的研究。主要研究内容和结论如下：1.以二氧化钛纳米粒子作为交联剂，丙烯酸和N，N-二甲基丙烯酰胺作为共聚单体，通过原位自

7、由基聚合合成了一系列具有不同单体比例的P(AA-co-DMAA)/TiO2高强度纳米复合水凝胶（TADgels）。水凝胶的交联机理是基于聚合物侧链羧基与二氧化钛纳米粒子表面羟基之间的络合作用。当二氧化钛浓度一定时，随着初始反应液中丙烯酸比例的增加，TADgels交联密度增大，弹性模量增加，韧I北京理工大学博士学位论文性和溶胀率降低，当丙烯酸的比例超过40%，制得的凝胶变得坚硬，易碎，缺乏弹性；通过对初始制备的TADgels进行简单的热处理，可以得到力学强度高、溶胀率低、能在水中依然保持高强度的水凝胶材料，并显示出水

8、驱动的形状记忆效应。2.选用丙烯酰胺和N,N-二甲基丙烯酰胺作为共聚单体，纳米二氧化钛作为交联剂，原位自由基聚合制备了一系列具有不同单体比例和二氧化钛纳米粒子含量的P(AM-co-DMAA)/TiO2高强度纳米复合水凝胶（TMDgels）。透射电子显微镜和红外光谱结果表明二氧化钛纳米粒子均匀地分散在聚合物基质中，通过聚合物侧链上氨基与二氧化钛纳米粒子表面的羟