自愈合有机凝胶的制备与性能研究

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自愈合凝胶是一种很有前景的智能材料,它的制备与性能研究已经吸引了越来越多科研工作者的关注。目前报道的自愈合凝胶主要分为化学型自愈合凝胶和物理型自愈合凝胶两大类。化学型自愈合凝胶结构稳定,具有较高的强度,但是它常需要借助一定的外界条件,如光、温度、氧化还原剂等的刺激才能实现自愈合。物理型自愈合凝胶不需要外界条件的刺激即可自发的愈合,但是它的结构很不稳定,且力学强度较低。因此,如何使凝胶同时具有较高的强度和快速的自愈合能力是设计与制备自愈合凝胶的关键问题。在凝胶结构中同时引入稳定的化学交联点和动态的物理交联点为解决这一问题提供了一条新的思路。本论文利用线性的氨基封端的聚乙二醇(PEG-NH2)与多聚甲醛(POM)之间的亲核加成-缩合反应,成功的制备了一种新型的有机凝胶。该凝胶在形成的过程中不仅可以生成含有缩醛胺动态共价网络(HDCN)结构的化学交联点,还可以生成可形成氢键的物理交联点。由HDCN交联形成的网络结构能够赋予凝胶较高的强度,而由氢键交联形成的网络结构则可赋予凝胶快速的自愈合能力。本论文的主要研究内容与成果如下:1、采用先酯化再氨化的两步反应法对线性的聚乙二醇分子链的末端进行了化学修饰,制备得到了PEG-NH2凝胶因子。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)等表征了凝胶因子的结构,采用元素分析结果计算得到其末端的官能团转化率为90.0%。2、以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,通过PEG-NH2与POM之间的亲核加成-缩合反应制备了一种新型的有机凝胶。通过1H-NMR研究了凝胶形成的过程,运用显微拍照、流变测试及拉伸测试等研究了凝胶的自愈合性能及力学性能。结果表明:制备的有机凝胶在室温条件下未经任何刺激,5小时即可完成自愈合,此外,凝胶的拉伸强度可达100kPa,断裂伸长率可达1072%,储能模量(G’)的值接近于10kPa,说明该有机凝胶兼具优异的自愈合性能和力学性能。3、以NMP/H2O的混合溶液为溶剂,通过PEG-NH2与POM的反应制备凝胶。通过1H-NMR及凝胶形成时间等研究了H2O对凝胶形成速率的影响,运用显微拍照、流变测试及拉伸测试等研究了H2O对凝胶的自愈合性能及力学性能的影响。结果表明:H2O的存在催化了PEG-NH2与POM的反应,增加了凝胶结构中物理交联点的密度,加快了凝胶形成的速率和凝胶的自愈合速率,降低了凝胶的力学性能。
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