聚合物纳米杂化材料的控制合成、自组装及功能化

聚合物纳米杂化材料的制备及功能化是当前国际前沿研究课题之一.特殊结构的聚合物可以通过分子间特殊相互作用,在纳米尺度上自发地组装成具有特殊结构和形态的集合体,这类材料在新材料、电子以及生物医学等领域具有广泛的应用前景.本文介绍国内外,特别是厦门大学在双亲性分子及嵌段共聚物的模板自组装、基于POSS单体纳米构筑单元以及POSS嵌段聚合物自组装的有机/无机纳米杂化材料、模板控制导电高分子材料纳米形态构筑等领域材料的可控合成和组装,与此同时对相关材料的性能及功能化应用进行了简要的讨论.     

大孔PAMPS/PVA半互穿网络型水凝胶的制备及其性能研究

以PEG6000为成孔剂, 合成了大孔聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)/聚乙烯醇半互穿网络型(s-IPN)水凝胶. 红外分析表明, PVA与PAMPS之间形成了较强的氢键, 使得PVA分子上的C—O伸缩振动吸收峰移向了低波数处. X射线衍射分析发现, 当PVA用量较高时, 由于部分的PVA结晶, 使得凝胶的半互穿网络结构不均匀. 电镜分析结果表明, 没有使用成孔剂的凝胶表面成褶皱形, 不存在任何孔洞结构; 而以PEG6000为成孔剂的凝胶表面存在相互贯穿的大孔结构. 研究了该水凝胶的溶胀性能, 结果表明, 该水凝胶的平衡溶胀度在116至320之间; 而成孔剂PEG6000的加入能较大幅度提高凝胶的溶胀速率, 凝胶在240 min之内就能达到溶胀平衡. 对凝胶抗压缩性能的研究表明, 当PVA用量为9.1% (w)时, 凝胶的抗压缩强度最大, 可达12.0 MPa; 而成孔剂的加入会在一定程度削弱凝胶的抗压缩强度. 该凝胶具有较好的电场敏感性, 研究发现, 将吸去离子水达到溶胀平衡的凝胶放入施加有电场的0.2 mol•L－1 NaCl溶液中时, 凝胶迅速偏向阳极. 而PVA和成孔剂PGE6000的用量均对凝胶的偏转速度以及最大偏转角存在较大的影响.     

PVA-PAMPS-PAA三元互穿网络型水凝胶的合成及其性能研究

以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)以及聚乙烯醇(PVA)为原料,制备了PVA-PAMPS-PAA三元互穿网络型(T-IPN)水凝胶.红外分析表明,PVA与PAA以及PAMPS之间形成了较强的氢键,使得PVA分子上的C—O伸缩震动吸收峰移向了低波数处.X射线衍射以及电镜分析表明,当PVA用量较低时,PVA能均匀的穿插于凝胶网络中,形成完善的互穿网络结构,当PVA用量过高时,部分的PVA结晶而使得凝胶出现相分离.研究了该三元互穿网络型水凝胶的溶胀性能,结果表明,该水凝胶的平衡溶胀比在200至340之间,并且随着AA以及AMPS用量的增加,凝胶的溶胀速率以及平衡溶胀比均升高.该三元互穿网络型水凝胶在酸性溶液中和在碱性溶液中表现出截然不同的消溶胀性能;并且随着溶液pH的升高,凝胶在pH=9.0附近出现体积突变,表现出pH敏感性.通过研究T-IPN水凝胶的抗压缩性能发现,利用线型高分子、柔性高分子网络以及刚性高分子网络制备的三元互穿网络型水凝胶能在高溶胀比下保持较高的强度.溶胀比为180的T-IPN水凝胶,其最大抗压缩强度可达12.1 MPa.进一步研究发现,凝胶的组成以及溶胀比均对凝胶的抗压缩强度和压缩应变均存在较大的影响.     

泡沫聚合法制备超大多孔水凝胶

采用泡沫体系分散聚合法,过硫酸铵(APS)及N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TMEDA)为氧化还原引发体系,N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,碳酸钠为发泡剂,聚氧化乙烯-氧化丙稀(PF127)为泡沫稳定剂,用羧甲基纤维素钠(CMC)接枝丙烯酸(AA)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)合成了CMC-g-(AA-co-AMPS)超大多孔水凝胶。通过FTIR、SEM表征,表明材料是具有超大多孔结构的CMC-g-(AA-co-AMPS)水凝胶。对各影响因素的研究表明,在m(CMC)∶m(AA)∶m(AMPS)为1∶4∶1,w(APS)为0.8%[其中m(APS)∶m(TMEDA)=2∶1],w(Na2CO3)=65%,w(PF127)=0.2%,温度为65℃时,制得的凝胶吸蒸馏水倍率可达1281g/g,吸0.9%盐水倍率达143g/g,10min时已基本达到溶胀平衡。     

聚(4-乙酰基丙烯酰乙酸乙酯-co-丙烯酸)水凝胶的溶胀动力学以及温度敏感性研究

通过分子结构设计, 合成了疏水性单体4-乙酰基丙烯酰乙酸乙酯(AAEA), 并以该单体与丙烯酸(AA)进行自由基溶液共聚, 制备了P(AAEA-co-AA)新型温度敏感性水凝胶. AAEA的¹H NMR及FT-IR分析表明, 该单体主要以烯醇式结构存在; P(AAEA-co-AA)的FT-IR分析发现, PAAEA与PAA之间存在较强烈的氢键作用, 使得AAEA烯醇异构体中的C—O伸缩振动吸收峰移向了低波数处. 对冷冻干燥后凝胶的电镜分析发现, 当AAEA用量较高时, 由于凝胶内部分子链段的疏水聚集, 各部分溶胀度以及溶胀速度不均一而使得凝胶表面粗糙不平. 采用DSC对凝胶的体积相转变进行了研究, 结果表明, 该水凝胶的体积相转变温度(VPTT)在48.2至61.8 ℃之间, 并且随着AAEA用量的减小, 凝胶的VPTT逐渐增加. 对该新型温度敏感性水凝胶在去离子水中的溶胀动力学研究发现, 当AAEA用量高于4.6 g时, 凝胶属于Fick凝胶; 反之凝胶则属于非Fick凝胶. 该水凝胶在去离子水中具有良好的温度敏感性, 当外界温度低于VPTT时, 凝胶能保持溶胀状态; 而当外界温度高于VPTT时, 凝胶的平衡溶胀度迅速下降, 表现为温度敏感性. 进一步研究发现, 凝胶组成不仅会影响凝胶的VPTT, 而且会影响凝胶温度敏感性的强弱.     

动态硼酸酯键管控邻苯二酚基团与功能黏附性高分子设计

“黏附”是一种普遍存在的多尺度相互作用,其实质是界面处化学键、氢键或范德华力等的形成.近年来,在贻贝仿生的基础上将黏性因子邻苯二酚基团嵌入到动态硼酸酯聚合物中,成为了功能黏附性高分子的重要发展方向.本专论从分子黏附、微/纳表面黏附和宏观表面黏附3个尺度,介绍硼酸酯键管控邻苯二酚基团在高分子材料功能化方面的研究进展.分子黏附,主要讨论硼酸酯聚合物中邻苯二酚基团与分子或离子相互作用规律及其对材料形貌和刺激响应性能的调控;微/纳表面黏附,论述硼酸酯聚合物体系超分子驱动力和组装机制,介绍其在微/纳材料功能化改性方面的研究进展;宏观表面黏附,讨论硼酸酯键管控邻苯二酚基团与黏附性能调控的关联规律,介绍硼酸酯聚合物功能黏附材料在宏观组装、攀爬机器人领域的应用.最后,从新型硼酸酯聚合物设计、动态键精准管控和器件化应用的角度,对该领域未来前景和发展趋势做出了展望.     

PVA增强P(AAEA-co-AA)温度敏感性水凝胶的合成及其性能研究

以4-乙酰基丙烯酰乙酸乙酯(AAEA)、丙烯酸(AA)以及PVA为原料, 通过自由基溶液聚合法, 制备了PVA-P(AAEA-co-AA)半穿网络型(s-IPN)水凝胶. 红外分析表明, AAEA主要以烯醇式结构存在, 并且由于PAAEA, PAA以及PVA之间较强的氢键作用, 使得PAAEA以及PVA分子上的C-O伸缩振动吸收峰移向了低波数处. 电镜分析表明, PVA能贯穿于P(AAEA-co-AA)交联网络中, 从而有效阻碍凝胶的相分离|而XRD研究发现, 当PVA用量较少时, PVA能均匀的贯穿于凝胶网络中, 形成完善的互穿网络结构, 当PVA用量过高时, PVA不能有效地贯穿于聚合物交联网络中而出现结晶. 采用DSC对s-IPN水凝胶的体积相转变进行了研究, 结果表明, 该s-IPN水凝胶的体积相转变温度(VPTT)在54.0至57.8 ℃之间, 并且随着PVA用量的增加, 凝胶的VPTT逐渐升高. 研究了该s-IPN水凝胶的抗压缩性能, 结果表明, PVA与P(AAEA-co-AA)形成的半互穿网络结构能有效提高凝胶的抗压缩强度, 其最大抗压缩强度可达8.4 MPa. 对凝胶的温度敏感性研究发现, 当外界温度低于VPTT时, 凝胶能保持溶胀状态|而当温度高于VPTT时, 凝胶的平衡溶胀度迅速下降, 表现为温度敏感性.     

P(AMPS-co-BMA)水凝胶的电场敏感性及电刺激响应机理

以离子型单体2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)及非离子型单体甲基丙烯酸丁酯为原料, 偶氮二异丁腈为引发剂, N,N′-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂, N,N-二甲基甲酰胺为溶剂, 通过自由基聚合合成了一系列聚离子浓度不同的聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-co-甲基丙烯酸丁酯)电场敏感性水凝胶. 研究了其在去离子水及NaCl溶液中的溶胀行为. 结果表明, 该水凝胶在去离子水中的平衡溶胀度在236.4~298.5之间, 其溶胀速率随着AMPS用量的增加而增加; 并且随着凝胶内部聚离子浓度的增加, 凝胶在NaCl溶液中的消溶胀速率及消溶胀度逐渐减小. 凝胶的电刺激响应性能研究结果表明, 在电场存在下, 凝胶在NaCl溶液中的溶胀行为与凝胶内部聚离子浓度和溶液中NaCl浓度的相对大小有关, 当凝胶内部聚离子浓度大于溶液中NaCl浓度时, 凝胶溶胀, 反之则凝胶消溶胀; 而且, 凝胶在电场作用下的偏转行为同样与凝胶内部聚离子浓度和溶液中NaCl浓度的相对大小有关, 当凝胶内部聚离子浓度大于溶液中NaCl浓度时, 偏向阴极, 反之则凝胶偏向阳极. 另外, 在电场存在下, 凝胶在NaCl溶液中的电偏转速度与环境温度密切相关.