聚合物凝膠電解質(zhì)制備實驗報告

1、智能凝膠的制備及配方摘要：高分子凝膠是由具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物與低分子介質(zhì)共同組成的多元體系,其大分子主鏈或側(cè)鏈上含有離子解離性、極性或疏水性基團(tuán),對溶劑組分、溫度、pH值、光、電場、磁場等的變化能產(chǎn)生可逆的、不連續(xù)(或連續(xù))的體積變化,所以可以通過控制高分子凝膠網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)與形態(tài),來影響其溶脹或伸縮性能,從而使凝膠對外界刺激作出靈敏的響應(yīng),表現(xiàn)出智能。1.概述：水凝膠是一種柔軟、濕潤的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，在仿生材料或生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)的水凝膠機(jī)械性能差，限制了其應(yīng)用。目前，人們主要通過合成具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（DN gel）的水凝膠、或者采用納米復(fù)合或 click

2、技術(shù)來提高水凝膠的機(jī)械性能。本實驗主要以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）為單體制備第一網(wǎng)絡(luò)。以丙烯酰胺（AAM）為單體作為第二網(wǎng)絡(luò)并均勻分散于第一網(wǎng)絡(luò)中，并聚合成第二網(wǎng)絡(luò)。以N，N '-亞甲基雙丙烯酰胺（NMBA）為交聯(lián)劑，以過硫酸銨（APS）為引發(fā)劑，以去離子水作為溶劑進(jìn)行反應(yīng)，得到雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（DN凝膠）。分別考查了不同AAM含量以及不同引發(fā)劑用量DN凝膠的拉伸性能及溶脹性能。2.實驗材料2.1實驗藥品丙烯酰胺（AAM）；2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）；NN'-亞甲基雙丙烯酰胺（NMBA）；過硫酸銨（APS）；去離子水 ；2.2實驗儀器 REGER-300

3、型微機(jī)控制萬能材料試驗機(jī)； HH-1 型電熱恒溫水浴鍋（北京科偉永興儀器有限公司）；ZD79-B真空干燥箱（北京興爭儀器設(shè)備廠）；FA1104A電子天平（上海精天電子儀器廠）； 其他：燒杯，玻璃片，表面皿，量筒，玻璃棒，滴管，鑷 子，小刀，封口膜等。3.實驗過程 3.1 聚合物第一網(wǎng)絡(luò)(PAMPS)系列將一定量的水、精制AMPS 、過硫酸銨、N,N '-亞甲基雙丙烯酰胺加入燒杯中，得到無色透明溶液。將上述溶液，加入兩片載玻片和橡膠隔層制成的模具中，密封。將上述模具放入60水浴中加熱，恒溫下反應(yīng)4個小時后，停止反應(yīng)。即得無色透明凝膠。出料時，將四組反應(yīng)產(chǎn)物從玻片中取出。表1 第一網(wǎng)絡(luò)配方

4、交聯(lián)劑（g）去離子水（ml）單體AMPS(g)引發(fā)劑APS（g）0.124204.140.0456 3.2聚合物凝膠第二網(wǎng)絡(luò)系列 將一定量的水、精制AAM 、過硫酸銨、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺加入燒杯中。將第一網(wǎng)絡(luò)水凝膠浸泡于第二網(wǎng)絡(luò)預(yù)聚液中，放入0冰箱中冷藏，溶脹24個小時后，取出。壓片：將溶脹后的凝膠，小刀裁剪成合適尺寸，放入載玻片橡膠隔層組成的模具中。放入60水浴中加熱，恒溫下反應(yīng)4-5個小時后，停止反應(yīng)。即得互穿網(wǎng)絡(luò)凝膠聚合物。表2 第二網(wǎng)絡(luò)配方編號單體AAM（g）引發(fā)劑(g)交聯(lián)劑（g）去離子水（ml）1#5.680.36840.124802#5.680.18420.124

5、803#2.840.18420.124803.3.1聚合物凝膠互穿網(wǎng)絡(luò)系列 將上步中得到的兩組智能凝膠分別放置編號第一片、第二片。將第一片取出后直接測拉伸。3.3.2聚合物凝膠互穿網(wǎng)絡(luò)系列第二片取出后放置于盛有去離子水的燒杯中。密封，至于常溫下放置24個小時。取出第二片，測拉伸。3.4 凝膠在蒸餾水中的溶脹行為將一片互穿網(wǎng)絡(luò)凝膠裁剪成正方形小塊。將裁剪好的凝膠放入烘箱中烘干。不定時測其質(zhì)量，待質(zhì)量不再改變后取出。放入盛有去離子水的燒杯中，密封。常溫下放置半個小時。取出稱重。并記錄。放回水中繼續(xù)常溫下浸泡，半小時后取出稱量，如此反復(fù)每半小時稱量一次，直至四次后，每一小時稱量一次，浸泡24小時后稱

6、重一最后次。 4結(jié)果與討論4.1結(jié)果 圖1. DN凝膠結(jié)構(gòu)示意圖該圖為雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）作為單體，聚合形成第一網(wǎng)絡(luò)凝膠，由丙烯酰胺（AAM）作為單體均勻擴(kuò)散在第一網(wǎng)絡(luò)凝膠中，并聚合形成第二網(wǎng)絡(luò)凝膠。得到雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。4.1.1 不同單體含量對拉伸的影響 浸泡前表3 浸泡前不同AAM用量對拉伸強(qiáng)度的影響編號單體AAM（g）引發(fā)劑APS（g）交聯(lián)劑用量（g）去離子水（ml）拉伸強(qiáng)度MPa斷裂伸長率（%）2#5.680.18420.124800.135799.563#2.480.18420.124800.100081.42圖2. 2#樣浸泡前拉伸曲線寬：7mm

7、厚：2mm 標(biāo)距：20mm載荷最大值：1.9 N拉伸強(qiáng)度：1.9/2*7=0.1357 MPa斷裂伸長率： 23.894/24*100%=99.56%圖3. 3#樣浸泡前拉伸曲線寬：8mm 厚：2mm 標(biāo)距：23mm載荷最大值：1.6 N拉伸強(qiáng)度：1.6/2*8=0.1 MPa斷裂伸長率： 18.726/23*100%=81.42%在交聯(lián)劑含量為0.124 g 引發(fā)劑含量為0.1842 g 去離子水含量為80ml情況下，單體用量為5.68g時，拉伸強(qiáng)度為100kPa。單體用量為2.48g時拉伸強(qiáng)度為135.7kPa，拉伸強(qiáng)度要好約為前者1.36倍。浸泡后 表4 浸泡后不同AAM用量對拉伸強(qiáng)度的

8、影響編號單體AAM（g）引發(fā)劑APS（g）交聯(lián)劑用量（g）去離子水（ml）拉伸強(qiáng)度MPa斷裂伸長率（%）2#5.680.18420.124800.09179.113#2.480.18420.124800.02728.59圖4. 2#樣浸泡后拉伸曲線寬：8mm 厚：3mm 標(biāo)距：24mm載荷最大值：2.2 N拉伸強(qiáng)度：2.2/3*8=0.091 MPa斷裂伸長率： 18.98767/24*100%=79.11%圖5. 3#樣浸泡后拉伸曲線寬：6mm 厚：3mm 標(biāo)距：30mm載荷最大值：0.45 N拉伸強(qiáng)度：0.45/3*6=0.027 MPa斷裂伸長率： 8.576667/30*100%=28

9、.59%實驗結(jié)果表明：在用水浸泡過之后，隨著單體濃度的增加，凝膠拉伸強(qiáng)度有了明顯的提高，從27kPa增加到91kPa,增加了3倍多，斷裂伸長率由28.59%增加到79.11%。是因為單體濃度的增加，是的擴(kuò)散在第一網(wǎng)絡(luò)中的PAAM含量增加，為凝膠增韌效果更強(qiáng)。4.1.2 不同引發(fā)劑含量對拉伸的影響在交聯(lián)劑含量為0.124 g 單體含量為5.68 g 去離子水含量為80ml情況下，引發(fā)劑含量為0.3684 g凝膠的拉伸性能好。浸泡前表5 浸泡前不同AAM用量對拉伸強(qiáng)度的影響編號單體AAM(g)引發(fā)劑(g)交聯(lián)劑(g)去離子水(ml)拉伸強(qiáng)度MPa斷裂伸長率（%）1#5.680.36840.1248

10、00.07110.662#5.680.18420.124800.135799.56 圖6. 1#樣浸泡前拉伸曲線寬：5mm 厚：2mm 標(biāo)距：24mm載荷最大值：0.7 N拉伸強(qiáng)度：0.7/5*2=0.070 MPa斷裂伸長率： 26.55833/24*100%=110.66%圖7. 2#樣浸泡前拉伸曲線寬：7mm 厚：2mm 標(biāo)距：20mm載荷最大值：1.9 N拉伸強(qiáng)度：1.9/2*7=0.1357 MPa斷裂伸長率： 23.894/24*100%=99.56%當(dāng)引發(fā)劑用量為0.3684g時，其斷裂伸長率（110.66%）與引發(fā)劑用量為0.182g時的斷裂伸長率（99.56%）相差不多，但是

11、后者拉伸強(qiáng)度明顯優(yōu)于前者。浸泡后 表6 浸泡后不同AAM用量對拉伸強(qiáng)度的影響編號單體AAM(g)引發(fā)劑(g)交聯(lián)劑(g)去離子水(ml)拉伸強(qiáng)度MPa斷裂伸長率（%）1#5.680.36840.124800.035662.292#5.680.18420.124800.09179.11圖8. 1#樣浸泡后拉伸曲線寬：9mm 厚：2.5mm 標(biāo)距：21mm載荷最大值：0.8 N拉伸強(qiáng)度：0.8/9*2.5=0.0356 MPa斷裂伸長率： 12.66033/21*100%=60.29%圖9. 2#樣浸泡后拉伸曲線寬：8mm 厚：3mm 標(biāo)距：24mm載荷最大值：2.2 N拉伸強(qiáng)度：2.2/3*8=

12、0.091 MPa斷裂伸長率： 18.98767/24*100%=79.11%實驗結(jié)果表明：在浸泡之后，隨著引發(fā)劑用量的減少，凝膠的拉伸強(qiáng)度會明顯提高，從之前的35.6kPa提高到91kPa,有將近3倍。4.2 計算水凝膠的溶脹率計算水凝膠的溶脹度( SR ): SR= (Wt- Wd ) /Wd ×100%. 首先將水凝膠在去離子水中充分溶脹達(dá)到平衡, 然后隨時間增加出現(xiàn)平穩(wěn)趨勢。Wt為溶脹平衡時凝膠質(zhì)量。Wd為干凝膠質(zhì)量。表7 1#樣溶脹倍率時間質(zhì)量溶脹倍率00.01280300.07404.78125600.09456.382813900.12068.4218751200.13

13、399.4609381500.147810.546881800.158811.406252400.174312.617193000.183713.351564200.195114.2421914400.204915.00781表8 2#樣溶脹倍率時間質(zhì)量溶脹倍率00.02860300.11192.912587600.18755.555944900.22716.9405591200.26918.4090911500.29699.3811191800.316810.076922400.344411.041963000.367511.849654200.384012.4265714400.38971

14、2.62587表9 3#樣溶脹倍率時間質(zhì)量溶脹倍率00.00860300.02842.302326600.07617.848837900.09389.9069771200.109311.70931500.119712.91861800.125713.616282400.135214.720933000.140515.337214200.143115.6395314400.144215.767444.2.1 不同單體含量對溶脹率的影響圖10. 2#樣與3#樣溶脹曲線3#樣比2#樣溶脹性能。初始溶脹倍率隨著溶脹時間迅速上升，420分鐘（7小時）后溶脹倍率達(dá)到平衡。如圖10.所示，單體濃度低時，平衡

15、溶脹率高，這是因為單體濃度低，網(wǎng)絡(luò)更為疏松，容易擴(kuò)張膨脹，故溶脹倍率更高。4.2.2 不同引發(fā)劑含量對溶脹率的影響圖11. 1#樣與2#樣溶脹曲線 1#樣比2#樣溶脹性能好。初始溶脹倍率隨著溶脹時間迅速上升，420分鐘（7小時）后溶脹倍率達(dá)到平衡。如圖11.所示。引發(fā)劑濃度高時，平衡溶脹率高，因為高引發(fā)劑濃度使得第二網(wǎng)絡(luò)單體AAM充分聚合，留有更多的空間，凝膠容易擴(kuò)張膨脹，故溶脹倍率高。4.3 討論4.3.1 單體濃度對凝膠的影響在第二網(wǎng)絡(luò)中，隨著單體濃度的增加，凝膠的拉伸強(qiáng)度增加，但是溶脹倍率會降低，因為單體濃度低，第一網(wǎng)絡(luò)更為疏松，容易擴(kuò)張膨脹，故溶脹倍率更高。4.3.2在第二網(wǎng)絡(luò)中，引發(fā)劑用量的減少，會令凝膠拉伸性能呢個提高，但是溶脹倍率會降低。因為在保證充分引發(fā)的條件下，過多的引發(fā)劑會隨著PAAM一起擴(kuò)散到第一網(wǎng)絡(luò)中，影響其性能。參考文獻(xiàn)1 姚新建,李可,李書靜. 互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備及其性能研究J.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(6):491-492.2 郭艷云,胡國勝,史永文,王標(biāo)兵