《納米複合水凝膠的非線性彈性及其分子機理》是依託華南理工大學，由王濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：納米複合水凝膠的非線性彈性及其分子機理
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王濤
- 依託單位：華南理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
納米複合水凝膠以其超拉伸、高韌性等優異的力學性能和簡易的製備方法而具有廣闊的套用前景。但由於其獨特的交聯網路結構和高含水量，其彈性行為與橡膠彈性理論有較大差異。為深入認識和理解納米複合水凝膠的非線性彈性行為及其分子機理，本項目將通過在凝膠聚合物鏈上引入不同的側基來設計和製備不同網路結構的模型水凝膠，考察側基尺寸及反離子對形變過程能量損耗的影響；同時通過凝膠力學性能的溫度依賴性和形變速率依賴性研究，認識納米複合水凝膠中小分子水在彈性形變過程中的貢獻及分子鏈段的運動；並使用小角X射線散射、冷凍透射電鏡等微觀表征手段觀察納米複合水凝膠形變過程中的微觀取向；在認識NC凝膠彈性分子機理的基礎上構建描述納米複合水凝膠獨特彈性行為的本構方程，用於預測凝膠力學性質和設計製備所需性能的水凝膠，為納米複合水凝膠的套用提供理論基礎。
結題摘要
聚合物-鋰藻土納米複合水凝膠（NC凝膠）以其超拉伸、高韌性等優異的力學性能和簡易的製備方法而具有廣闊的套用前景。但由於其獨特的交聯網路結構，其彈性行為與橡膠彈性理論有較大差異。為深入認識和理解NC凝膠的非線性彈性及凝膠微觀交聯結構，本項目首先通過QCM-D驗證了鋰藻土的交聯作用，並通過同步輻射SAXS原位觀察了NC凝膠在不同形變及回復階段水凝膠內部鋰藻土片層的取向的變化過程。結果發現隨著形變的增加，鋰藻土片層的取向程度逐漸增加，且取向方向是平行於拉伸方向，在形變回復過程中鋰藻土取向程度減小，但不會完全恢復到無規取向狀態；同時，鋰藻土之間的距離遠落後於形變數，這說明NC凝膠在拉伸過程中高分子鏈與鋰藻土之間有拉脫和重新吸附的可逆交聯過程，我們認為NC凝膠在大形變時的非線性彈性現象源於這種可逆交聯結構。在認識了NC凝膠非線性彈性及可逆交聯結構的基礎上，我們對比帶有不同側基的N-異丙基丙烯醯胺（NIPAm）單體和丙烯醯胺（AM）單體發現，在PNIPAm單體形成的網路中引入側基小、親水性更好的AM分子鏈段和NIPAm共聚，可製備得到具有超拉伸性能同時兼具優異的缺口不敏感和快速自修復特性的高強度NC凝膠；另一方面，利用NC凝膠的熱可逆交聯結構特點，我們首次發現了N, N二甲基丙烯醯胺NC凝膠的熱可塑型的性質，利用此性質可以對NC凝膠進行成型後的再加工和重新塑型，對於其在生物醫用材料領域的套用有重要推動作用。在掌握NC凝膠非線性彈性分子機理的前提下，我們藉助NC凝膠的高強度和刺激回響性，通過調控NC凝膠的組分，拓展了一系列功能性水凝膠：在PNIPAm NC凝膠中引入富含羥基的功能分子α-環糊精，發現在保持原來的高力學強度的同時，NC凝膠在新鮮豬皮表面的粘附強度得到大幅提升；如果在粘性NC凝膠中引入氧化石墨烯（GO）組分，利用GO的快速高效光-熱轉換功能，使用紅外光照射凝膠後，可使凝膠快速發生相變收縮而使其粘度迅速消失，達到自動脫附的功能；受人體手臂的結構和運動過程啟發，我們製備了由三段功能性水凝膠組成的仿生水凝膠驅動器，並將GO引入凝膠中，通過紅外光照射凝膠驅動器的不同部位，可使驅動器快速實現“伸長-抓取-收回”模擬手臂的複雜仿生動作，這一設計突破了傳統水凝膠驅動器完成動作單一的局限，為智慧型水凝膠複合型驅動器的設計提供了新思路和方法。
