国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

高強(qiáng)度P(AA-co-AM)水凝膠的合成及性能優(yōu)化

2022-01-18 12:17冷奇展陳世蘭
關(guān)鍵詞:吸水性倍率凝膠

冷奇展 陳世蘭 陳 強(qiáng) 鄒 航 葉 勇 陳 勇

(重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院/化學(xué)化工學(xué)院, 重慶 401331)

水凝膠中含有許多親水性基團(tuán),能夠吸收大量水分并保持一定的形狀,且不溶于水和有機(jī)溶劑,無毒無異味,因而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料的制備[1-3]。王趁義等人通過加入氧化石墨烯(GO)的方法對(duì)聚(丙烯酸/丙烯酰胺)水凝膠進(jìn)行改性,采用溶液聚合法合成了吸水倍率較高(最高時(shí)可達(dá)到502 g/g)的P(AA/AM)-GO水凝膠[4]。范亮飛等人通過在聚丙烯酸水凝膠中引入苯乙烯的方法,制備了聚丙烯酸/苯乙烯高吸水性水凝膠。當(dāng)苯乙烯含量為1%時(shí),其吸水倍率最高達(dá)到784 g/g[5]。胡健通過水溶液聚合法制備了淀粉接枝聚丙烯酸水凝膠,其吸水倍率高達(dá)1 365 g/g[6]。一般情況下,水凝膠制品完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用中的吸水性能要求。但是,當(dāng)其用作生物醫(yī)用材料時(shí),還需滿足不斷提高的機(jī)械強(qiáng)度要求。為此,本次研究在盡量保證吸液能力的情況下,以相對(duì)分子質(zhì)量較大的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯作為交聯(lián)劑,制備合成具有較高機(jī)械強(qiáng)度的水凝膠。同時(shí),通過實(shí)驗(yàn)考察各因素對(duì)水凝膠吸水性和機(jī)械強(qiáng)度的影響,分析制備高強(qiáng)度、高吸水性P(AA-co-AM)水凝膠的最佳條件。

1 P(AA-co-AM)水凝膠的制備實(shí)驗(yàn)

1.1 P(AA-co-AM)水凝膠制備原材料

實(shí)驗(yàn)所用主要原材料有:丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、氫氧化鈉(NaOH)、無水亞硫酸鈉(Na2SO3)、過硫酸銨[(NH4)2S2O8],均為成都科龍化工生產(chǎn),純度為分析純;聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA),n=4,為北京百靈威公司生產(chǎn)。

1.2 P(AA-co-AM)水凝膠制備方法

首先,配置一定濃度的NaOH溶液,利用NaOH溶液調(diào)整AA的中和度;其次,加入AM和PEGDMA,混合攪拌30 min,通入N230 min;然后,稱取一定質(zhì)量的(NH4)2S2O8、Na2SO3,并依次將其加入混合溶液中,將溶液加入試管后密封;最后,恒溫反應(yīng)5 h,即可制備得到P(AA-co-AM)水凝膠制品。

1.3 P(AA-co-AM)水凝膠性能測(cè)試方法

(1) 水凝膠結(jié)構(gòu)。取部分水凝膠,剪碎,烘干,粉碎,再將其與KBr混合研磨成粉末狀并壓成薄片,應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)凝膠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

(2) 吸水倍率。取部分水凝膠剪碎,置于鼓風(fēng)式烘箱中于70 ℃下干燥。稱取一定量烘干后的P(AA-co-AM)水凝膠封裝于茶袋,浸泡于去離子水中,間隔一段時(shí)間取出茶袋,稱取質(zhì)量,直至水凝膠達(dá)到溶脹平衡。最后,計(jì)算水凝膠的吸水倍率,如式(1)所示:

(1)

式中:Q—— 吸水倍率;

m1—— 吸水前凝膠的質(zhì)量,g;

m2—— 吸水溶脹平衡時(shí)凝膠的質(zhì)量,g。

(3) 機(jī)械強(qiáng)度。將制備的水凝膠切成多份5 mm長(zhǎng)的凝膠段,置于指針式推拉力計(jì)的下方,下降推拉力計(jì)擠壓水凝膠;待水凝膠被壓碎或壓至極薄時(shí),讀取指針數(shù),計(jì)算凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。此次所制備的P(AA-co-AM)水凝膠均能在300 N(1.492 MPa)的壓力下壓至極薄,撤去外力后能夠恢復(fù)原狀。為便于考察實(shí)驗(yàn)因素及優(yōu)選制備條件,后續(xù)檢測(cè)的均為吸水達(dá)到溶脹平衡后的水凝膠強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 聚合物紅外光譜分析

圖1 P(AA-co-AM)水凝膠的紅外吸收光譜

2.2 AA中和度對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響

通過改變AA中(λ)和度的方法制備水凝膠,考察P(AA-co-AM)水凝膠性能所受影響,結(jié)果如圖2所示。圖中,吸水倍率(Q)曲線呈拋物線形態(tài),其數(shù)值在AA中和度為80%時(shí)達(dá)到最高值。P(AA-co-AM)水凝膠的強(qiáng)度(p)隨著中和度的增大先降低而后基本保持不變,其數(shù)值在中和度為60%時(shí)達(dá)到最大。

當(dāng)中和度較低時(shí),由于 — COOH電離成陰陽離子的能力較差, 丙烯酸的活性高于丙烯酸鈉,單體易聚合形成具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的水凝膠;同時(shí),— COOH之間還會(huì)產(chǎn)生氫鍵相互作用,水凝膠的實(shí)際交聯(lián)密度更高,使所形成凝膠的吸液能力變?nèi)酰藭r(shí)因吸水倍率低而表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。當(dāng)中和度過高時(shí),反應(yīng)體系中的Na+增多,減緩了聚合反應(yīng)的速率,交聯(lián)程度低,吸液量也隨之降低,強(qiáng)度也變差[8]。綜合考慮中和度對(duì)水凝膠吸水倍率和強(qiáng)度的影響,認(rèn)為制備高強(qiáng)度、高吸水性P(AA-co-AM)水凝膠時(shí),AA中和度宜定為80%。

圖2 AA中和度對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響

2.3 n(AM)/n(AA)對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響

將n(AM)/n(AA)作為唯一變量,考察n(AM)/n(AA)對(duì)水凝膠性能的影響,結(jié)果如圖3所示。隨著n(AM)/n(AA)值的增大,水凝膠的Q值也在增大。當(dāng)n(AM)/n(AA)=3時(shí)存在一個(gè)最大值,n(AM)/n(AA)繼續(xù)增大,而水凝膠的Q值卻開始下降。水凝膠的強(qiáng)度p與Q曲線呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),在n(AM)/n(AA)為 2.0、2.5時(shí),p值最大。

合成水凝膠中丙烯酰胺提供的非離子型親水基團(tuán) — CONH2電離能力低,親水能力弱于 — COONa和 — COOH;然而 — CONH2與COONa具有協(xié)同作用,這種協(xié)同作用增大了水凝膠的吸水能力,水凝膠的強(qiáng)度也會(huì)隨之提高。但是隨著單體丙烯酰胺用量的繼續(xù)增大,— COOX型親水基團(tuán)的量相對(duì)減少,反應(yīng)活性降低,聚合速率降低、效果變差,吸水倍率和強(qiáng)度也變差[8]。綜合考慮單體比例對(duì)水凝膠吸水倍率和強(qiáng)度的影響,認(rèn)為宜將制備高強(qiáng)度、高吸水性P(AA-co-AM)水凝膠的單體比例設(shè)定為2.5。

圖3 n(AM)/n(AA)對(duì)P(AA-co-AM) 水凝膠性能的影響

2.4 引發(fā)劑對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響

考察引發(fā)劑對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響,結(jié)果如圖4所示。

當(dāng)引發(fā)劑用量小于0.5%時(shí),P(AA-co-AM)水凝膠的吸水倍率隨著引發(fā)劑的用量增大而增大;當(dāng)引發(fā)劑用量為0.5%時(shí),吸水倍率存在最大值;當(dāng)引發(fā)劑用量大于0.5%時(shí),水凝膠的吸水倍率隨著引發(fā)劑的用量增大而降低。同時(shí),水凝膠的吸水倍率和強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì),且強(qiáng)度最大值也出現(xiàn)在引發(fā)劑用量0.5%處。

隨著引發(fā)劑配比n[(NH4)2S2O8]/n[Na2SO3]的增大,水凝膠吸水倍率也在增大。當(dāng)引發(fā)劑配比為0.5時(shí),吸水倍率存在最大值;當(dāng)引發(fā)劑配比繼續(xù)增大時(shí),水凝膠的吸水倍率開始下降。水凝膠的吸水倍率和強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì),但在引發(fā)劑配比為1.5時(shí)吸水倍率存在最大值。

當(dāng)引發(fā)劑用量和引發(fā)劑配比較低時(shí),聚合反應(yīng)中的活性中心數(shù)目少,單體的轉(zhuǎn)化率變低,交聯(lián)度低,導(dǎo)致水凝膠的吸液能力和強(qiáng)度均較差。當(dāng)引發(fā)劑用量和配比過大時(shí),自由基的數(shù)量增多,整個(gè)聚合反應(yīng)的活性中心增多,活性中心之間易發(fā)生終止反應(yīng)而導(dǎo)致水凝膠中分子鏈縮短、吸水倍率和強(qiáng)度變低[6]。綜合考慮引發(fā)劑對(duì)水凝膠吸水倍率和強(qiáng)度的影響,認(rèn)為在制備高強(qiáng)度、高吸水性P(AA-co-AM)水凝膠時(shí)引發(fā)劑的用量宜定為0.5%,引發(fā)劑配比n[(NH4)2S2O8]/n[Na2SO3]宜定為1.0。

圖4 引發(fā)劑對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響

2.5 反應(yīng)溫度對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響

將反應(yīng)溫度作為唯一變量,進(jìn)行P(AA-co-AM)水凝膠的制備,其性能測(cè)試結(jié)果如圖5所示。隨著反應(yīng)溫度的升高,P(AA-co-AM)的吸水倍率先增大而后減小,在反應(yīng)溫度為55 ℃時(shí)存在吸水倍率最大值。與此相似,在反應(yīng)溫度增大時(shí),水凝膠強(qiáng)度呈先升后降的變化趨勢(shì),但當(dāng)反應(yīng)溫度為45 ℃時(shí)強(qiáng)度最大。

反應(yīng)溫度可以影響聚合反應(yīng)所能形成自由基的速率和數(shù)量[9]。當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí),引發(fā)劑的分解速率和聚合反應(yīng)速率較慢,水凝膠中大分子鏈的數(shù)量較少,導(dǎo)致P(AA-co-AM)水凝膠的吸水倍率和強(qiáng)度都很低。當(dāng)反應(yīng)溫度過高時(shí),引發(fā)劑分解速率和聚合反應(yīng)速率加快,低聚物含量和體系中水溶性分子數(shù)增加。與此同時(shí),反應(yīng)過程中鏈轉(zhuǎn)移的可能性也會(huì)增加,產(chǎn)生分子量小的聚合物,從而導(dǎo)致水凝膠的吸水倍率與強(qiáng)度降低[10]。綜合考慮反應(yīng)溫度對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠吸水倍率和強(qiáng)度的影響,認(rèn)為宜將制備高強(qiáng)度、高吸水性P(AA-co-AM)水凝膠的反應(yīng)溫度設(shè)定為50 ℃。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響

2.6 交聯(lián)劑用量對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響

考察交聯(lián)劑用量對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響,結(jié)果如圖6所示。增加交聯(lián)劑的用量,P(AA-co-AM)水凝膠的吸水倍率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且在交聯(lián)劑用量為1%時(shí)達(dá)到最大。交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠強(qiáng)度的影響與此相反,當(dāng)交聯(lián)劑用量為2.2%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖6 交聯(lián)劑用量對(duì)P(AA-co-AM)水凝膠性能的影響

不同的交聯(lián)劑用量直接導(dǎo)致了水凝膠的空間網(wǎng)絡(luò)存在差異。當(dāng)交聯(lián)劑的用量較低時(shí),水凝膠中交聯(lián)的大分子鏈少,吸液能力和強(qiáng)度較弱,吸液后凝膠易塌陷;當(dāng)交聯(lián)劑用量增大時(shí),水凝膠的交聯(lián)程度以及對(duì)吸收液體的束縛能力會(huì)增強(qiáng),內(nèi)部空間寬松,吸液量增大;當(dāng)交聯(lián)劑用量過多時(shí),水凝膠的交聯(lián)點(diǎn)數(shù)目持續(xù)增多,水凝膠內(nèi)部空間緊湊,吸水后不易膨脹,吸水倍率低,水凝膠的強(qiáng)度加大[11]。綜合考慮交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠吸水倍率和強(qiáng)度的影響,認(rèn)為宜將制備高強(qiáng)度、高吸水性P(AA-co-AM)水凝膠的交聯(lián)劑用量設(shè)定為0.6%。

3 結(jié) 語

采用PEGDMA作為交聯(lián)劑可制得高強(qiáng)度的P(AA-co-AM)水凝膠,且水凝膠具有很好的形狀恢復(fù)能力。綜合考察了各實(shí)驗(yàn)條件對(duì)水凝膠吸水后強(qiáng)度和吸水倍率的影響,確定了制備高強(qiáng)度高吸水性P(AA-co-AM)水凝膠的最佳條件。此水凝膠具有較高的力學(xué)強(qiáng)度,可滿足生物醫(yī)學(xué)材料的要求。

猜你喜歡
吸水性倍率凝膠
倍率控制下的機(jī)器人軌跡生成算法
超輕航天材料——?dú)饽z
消夏凝膠彈機(jī)
新型避孕凝膠,涂在肩膀上就可以避孕?
用棉布廢料制成的環(huán)保氣凝膠
改性葡聚糖納米凝膠止血性能的研究
不同來源和純度的硫酸軟骨素理化特性的研究
蝴蝶效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型
多用電表的內(nèi)阻與檔位關(guān)系
高功率鈦酸鋰電池倍率及低溫性能研究