氧化石墨烯基納米復(fù)合水凝膠的制備及其性能研究.pdf

1、高分子水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水溶脹型功能高分子材料，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主鏈或側(cè)鏈連有諸如羥基、酰胺基、羧基、磺酸基等親水基團(tuán)，能夠吸附相當(dāng)于自身質(zhì)量幾十到幾百倍甚至上千倍的水或水溶液。并且在一定壓力條件下，仍具有良好的吸水、保水性能。而在實(shí)際的使用過程中，由于水體的金屬離子、pH值等外界因素使得高分子水凝膠網(wǎng)絡(luò)塌陷而造成材料失去吸水保水能力，成為制約其實(shí)際應(yīng)用的瓶頸因素。研究證明，向高分子水凝膠引入納米填充體是提高其吸水性和耐鹽性的一

2、種有效手段。氧化石墨烯（GO）是一種單原子層厚度的二維納米材料，它具有石墨烯的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和良好的力學(xué)性能，同時(shí)由于其含有大量的親水性含氧官能團(tuán)，在水中具有極好的分散性，為GO與其它親水性物質(zhì)在水相中進(jìn)行反應(yīng)、摻雜等制備納米復(fù)合材料提供了可能?；诖耍菊撐囊訥O或化學(xué)改性的GO為納米填充體，通過原位聚合或共聚等方法制備一系列GO基納米復(fù)合水凝膠，研究GO對(duì)納米復(fù)合水凝膠物化性能以及吸水、耐鹽等溶脹性能的影響。在此基礎(chǔ)上，研究其在純水、鹽溶

3、液環(huán)境下，納米復(fù)合水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的GO片層對(duì)聚合物網(wǎng)絡(luò)溶脹、塌陷產(chǎn)生的影響，以期構(gòu)建納米復(fù)合水凝膠結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。主要研究內(nèi)容和結(jié)果包括：
　　（1）以GO為填充體，丙烯酸、丙烯酰胺為聚合單體，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，過硫酸銨為引發(fā)劑，分別制備了聚丙烯酸-氧化石墨烯（PAA-GO）和聚丙烯酰胺-氧化石墨烯納米復(fù)合水凝膠（PAM-GO）。GO納米片在聚合物中分散均勻，納米復(fù)合水凝膠呈現(xiàn)出無定形結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加極小量的GO

4、（0.073 wt%）就可以大大的提高了水凝膠的吸水能力，主要?dú)w因于親水的GO納米片可有效的改善水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而能夠吸收更多的水分；引發(fā)劑和交聯(lián)劑的加入量對(duì)納米復(fù)合水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響則與純有機(jī)水凝膠相似：隨著引發(fā)劑加入量的增加，納米復(fù)合水凝膠的吸水能力先增加后減小，而交聯(lián)劑的加入量與納米復(fù)合水凝膠的吸水能力成反比。在耐鹽性方面，GO納米片在納米復(fù)合水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起到“非離子”性填充體的作用，從而有效地防止了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的坍塌，提高

5、了納米復(fù)合水凝膠的耐鹽性。通過有機(jī)溶液中溶脹行為的研究發(fā)現(xiàn)，GO納米片的引入也能夠改善PAA-GO、PAM-GO納米復(fù)合水凝膠在有機(jī)溶劑/水體系中的結(jié)構(gòu)坍塌和變形。一方面，GO表面的親水官能團(tuán)與聚合物鏈上的官能團(tuán)結(jié)合，提高了整個(gè)聚合物網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度，另一方面，GO的二維納米結(jié)構(gòu)能夠起到“house-of-cards”的作用，有效地阻止了自由水分子從網(wǎng)絡(luò)中被“擠出”。
　?。?）以GO為填充體，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，過硫酸銨

6、為引發(fā)劑，丙烯酸、丙烯酰胺共聚制備了聚（丙烯酸-co-丙烯酰胺）/氧化石墨烯（PAAM-GO）納米復(fù)合水凝膠，呈現(xiàn)層狀三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在凝膠的形成過程中引發(fā)劑含量、單體比例、交聯(lián)劑含量及GO濃度對(duì)于制備得到的PAAM-GO納米復(fù)合水凝膠的吸附性能均有很大的影響。在引發(fā)劑含量為64 mg、交聯(lián)劑含量為12.8 mg、單體（丙烯酸：丙烯酰胺）摩爾比例為0.5、GO濃度為0.5 mg mL-1時(shí)制備得到的PAAM-GO納米復(fù)合水凝膠對(duì)于水的吸附

7、量最大為197 g g-1。在聚合體系中加入GO可以使水凝膠形成更加穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在外界溶液條件發(fā)生變化時(shí)有效防止水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的坍塌，進(jìn)而提高了納米復(fù)合水凝膠的綜合吸附性能。
　　（3）利用重氮化反應(yīng)對(duì)GO表面進(jìn)行改性，以其為填充體，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，過硫酸銨為引發(fā)劑，丙烯酸為聚合單體制備了聚丙烯酸-改性GO納米復(fù)合水凝膠。改性GO與PAA具有良好的兼容性，改性GO的加入有效地提高了納米復(fù)合水凝膠的綜合吸附

8、性能。
　?。?）通過原位聚合方法，在大氣氛圍下，通過摻雜十八烷基胺改性的氧化石墨烯（GO/ODA），合成了具有耐鹽性的聚丙烯酰胺/聚乙二醇-十八烷基胺改性GO互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠（PAM/PEG-GO/ODA）。摻雜GO/ODA可顯著提高PAM/PEG-GO/ODA的耐鹽性和吸水性能。其中，在CaCl2水溶液中吸水倍率可提高60%以上。當(dāng)GO/ODA添加量為5 wt%時(shí)，其耐鹽性提高一倍，達(dá)到61g g-1。PAM/PEG-GO/OD

9、A具有親水疏油性質(zhì)，對(duì)油品中的水具有優(yōu)異的選擇性，除水率達(dá)到99%以上。
　?。?）制備了聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮-GO互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠（PVA/PVP-GO），通過冷凍干燥法制造出豐富貫穿孔結(jié)構(gòu)。GO含量對(duì)PVA/PVP-GO的孔道結(jié)構(gòu)有較大影響，在GO濃度較低時(shí)PVA/PVP-GO呈現(xiàn)出許多較大的孔道，但隨著GO濃度的增大復(fù)合凝膠的孔道結(jié)構(gòu)明顯減小呈現(xiàn)出貫穿的峰窩狀結(jié)構(gòu)。相比于聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮（PVA/PVP）水凝膠而言