化工环保材料论文提纲

论文题目：基于甘油/水体系构建多维度纳米复合水凝胶及其结构性能研究

摘要：水凝胶是一类重要的具有三维交联网络结构的软材料,因其高含水、高弹和优异的细胞相容性等特点,已被广泛应用于生物医药、日用化工、环保等领域。其中,以粘土（clay）无机纳米粒子为物理交联点构筑的纳米复合水凝胶（NC gels）材料,可有效结合粘土（尺寸稳定性、刚性等）与聚合物网络（软湿、响应性等）的结构与功能特性,表现出力学性能优异、光学性能好、制备方法简单等优势,已逐渐成为水凝胶领域的研究热点。然而,传统的NC gels低温易结冰,高温或室温易挥发,凝胶的网络结构易被破坏,软湿性与柔韧性变差,环境适用性差。此外,受限于传统的加工方式,水凝胶材料在微观尺度上表现出各向同性,宏观尺度、维度单一,力学性能仍较低,难以匹配自然的生物软组织,因而极大地限制了此类材料在生物领域的进一步应用。为解决这些问题,本文基于甘油/水二元共溶剂的耐受特性,以锂藻土（一种无机纳米粘土,下文都简写为粘土）为物理交联剂,从粘土/甘油/水共溶剂分散液的设计出发,结合聚合物链组分设计及其凝聚态结构调控,构筑了系列抗冻、耐挥发、各向异性、智能响应的纳米复合水凝胶及其纤维材料,并探索了其在智能玻璃、仿生皮肤和人工肌肉等领域的应用。具体研究内容和结果如下:1.设计制备了抗冻、耐挥发的粘土/甘油/水共溶剂分散液,分析了负电性粘土在甘油/水共溶剂体系中的分散机理。通过对粘土/水分散液及粘土/甘油/水共溶剂分散液的透过率和黏度测试分析水分子和甘油分子对粘土片层分散性和稳定性的影响规律,并基于甘油与水混溶的特性,建立甘油/水共溶剂中粘土浓度与甘油最大添加量的关联数学模型。利用共溶剂组分调控甘油与水分子间的氢键相互作用,实现粘土/甘油/水共溶剂分散液的抗冻和耐挥发性能。结果表明,当甘油浓度在0～60 wt.%时,粘土/甘油/水共溶剂分散液的失重率可由91%降至18%,冰点由0.62℃降至-24.2℃。此外,电学性能结果表明甘油分子可对粘土片层运动及其解离出的Na+离子传输产生影响,通过调控甘油浓度,粘土/甘油/水共溶剂分散液的电导率在3.857-8.313m S/cm范围内可调。2.构筑了抗冻、耐挥发、温度响应的纳米复合水凝胶材料（GW-gels）,探究了共溶剂组分对GW-gels成型及其结构性能的调控规律。以寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（OEGMA）和2-（2-甲氧基乙氧基）甲基丙烯酸乙酯（MEO2MA）为有机相,以甘油/水为溶剂相,以粘土为无机相构筑了纳米复合水凝胶材料。XRD、FTIR和SEM结果表明,GW-gels的化学结构和网络形貌未被甘油破坏。当甘油浓度为0～30wt.%,GW-gels的光透过率、失重率和冰点分别可达86.2%、49%和-21.8℃。同时,当甘油浓度在0～30 wt.%时,GW-gels的相变温度和自愈合效率分别在41.9～57℃和18.1～84.8%范围内可调。GW-gels可兼具优异的电性能和高弹性,可有效感应人体运动,响应时间快至0.82s,应变灵敏度高、循环稳定性好。此外,GW-gels具有优异的温敏性,其光透过率随环境温度可调,因而在智能玻璃领域具有应用潜力。3.建立“动态聚合-拉伸”纺丝新方法,实现了抗冻/耐挥发、各向异性、高模量纳米复合水凝胶纤维（GH-Fibers）的连续化制备,研究了该纤维成形过程中的凝聚态结构演变规律。将OEGMA和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）混合单体加入到粘土/甘油/水共溶剂分散液中配制纺丝预聚液,通过流变学和核磁监控反应动力学,在凝胶化过程中施加拉伸力场,连续化制备GH-Fibers。探究了粘土浓度、单体配比、卷绕速率对GH-Fibers可纺性的影响规律,确定最优的纺丝配比。SEM、SAXS和WAXD结果表明,GH-Fibers的微观结构在拉伸过程中发生“疏松→紧密”、“无规→取向”演变,建立此类纺丝方法的结构演变普适性模型。力学测试结果表明,取向后的GH-Fibers的断裂强度可达5.25 MPa,比未经拉伸取向的纤维高～67倍;通过调控粘土浓度,GH-Fibers的断裂强度和弹性模量分别在1.16～7.20 MPa和1.07～16.14 MPa范围内可调。此外,甘油/水共溶剂的使用改善了GH-Fibers的抗冻及耐挥发性能。当甘油浓度为20 wt.%时,GH-Fibers在-20℃的低温环境中,仍不结冰且回弹性优异;30天后,GH-Fibers的断裂伸长率仍达～169.4%,具有优异的软弹性和长期稳定性。4.实现了凝胶纤维的宏观有序组装,制备了耐挥发/各向异性/高模量的凝胶纤维膜,探索了其作为水凝胶致动器的宏观响应形变行为。在粘土/甘油/水共溶剂分散液中引入OEGMA、MEO2MA和N-异丙基丙烯酰胺混合单体制备了纺丝预聚液,经流变学和核磁动态监控其凝胶化过程动态,并利用多股初生凝胶的自愈合性能进行宏观组装,进一步采用“动态聚合-拉伸”法制备高模量的凝胶纤维膜材料。结果表明,凝胶纤维膜的凝聚态结构可沿拉伸方向取向,取向后的纤维弹性模量提高至23.5 MPa。此外,当甘油浓度为20 wt.%时,凝胶纤维膜在60 h后的失重率为53%,具有耐挥发性。基于取向结构导致的各向异性溶胀形变特性,进一步设计了不同结构的凝胶纤维膜/水凝胶复合智能致动器,在外界温度刺激下,该水凝胶致动器可实现对称或非对称致动行为。进一步对凝胶纤维膜进行定向剪裁和宏观组装,模拟了花瓣状宏观器件的“开-合”变形过程,实现了此类凝胶材料在仿生器件领域的应用。

关键词：共溶剂;纳米复合水凝胶;抗冻/耐挥发;各向异性;水凝胶纤维

学科专业：材料学

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 水凝胶概述

1.2 抗冻/耐挥发水凝胶概述

1.2.1 抗冻水凝胶的研究进展

1.2.2 耐挥发水凝胶的研究进展

1.3 水凝胶纤维概述

1.3.1 水凝胶纤维的制备

1.3.2 水凝胶纤维的应用

1.3.3 各向异性水凝胶纤维构筑及其应用

1.4 课题的提出及其主要研究内容

1.5 参考文献

第二章 粘土/甘油/水共溶剂分散液的制备与性能研究

2.1 引言

2.2 实验

2.2.1 实验原料

2.2.2 样品制备

2.2.3 测试与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 粘土/水分散液的制备

2.3.2 粘土/甘油/水共溶剂分散液的制备

2.3.3 粘土/甘油/水共溶剂分散液的黏度与透明性

2.3.4 粘土/甘油/水共溶剂分散液的耐低温和耐挥发性能

2.3.5 粘土/甘油/水共溶剂分散液的电学性能

2.4 结论

2.5 参考文献

第三章 粘土/P(MEO2MA-co-OEGMA)纳米复合水凝胶构筑及其结构性能研究

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 实验原料

3.2.2 样品制备

3.2.3 测试与表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 甘油/水体系纳米复合水凝胶(GW-gels)构筑与结构表征

3.3.2 GW-gels的透明性与导电性

3.3.3 GW-gels的抗冻/耐挥发性能

3.3.4 GW-gels在低温下的应变传感性能

3.3.5 GW-gels的温度响应性能

3.3.6 GW-gels的自愈合性能

3.3.7 GW-gels的细胞相容性

3.4 结论

3.5 参考文献

第四章 粘土/P(OEGMA-co-DMAA)纳米复合水凝胶纤维成形及其结构性能研究

4.1 引言

4.2 实验

4.2.1 实验原料

4.2.2 样品制备

4.2.3 测试与表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 GH-Fibers纺丝预聚液的性质及其纤维连续成形

4.3.2 GH-Fibers的可纺性分析

4.3.3 GH-Fibers的力学性能及其取向结构

4.3.4 GH-Fibers的稳定性和耐低温性能

4.4 结论

4.5 参考文献

第五章 粘土/P(MEO2MA-co-OEGMA-co-NIPAM)水凝胶纤维宏观组装及其膜材料形变研究

5.1 引言

5.2 实验

5.2.1 实验原料

5.2.2 样品制备

5.2.3 测试与表征

5.3 结果与讨论

5.3.1 凝胶纤维膜的制备与形貌表征

5.3.2 凝胶纤维膜成型机理分析

5.3.3 凝胶纤维膜的耐挥发性

5.3.4 凝胶纤维膜的力学性能

5.3.5 凝胶纤维膜的各向异性及其形变行为

5.3.6 双层凝胶纤维膜的设计构筑及其形变行为

5.4 结论

5.5 参考文献

第六章 全文总结和展望

致谢