基于HEC水凝胶复合材料的制备及其导电、吸附性能研究

作     者：刘振兴 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李巧玲

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：羟乙基纤维素水凝胶 导电高分子 无机粒子 导电 吸附 

摘      要：羟乙基纤维素(HEC)是纤维素经碱化醚化得到的一种衍生物,可溶于冷、热水。具有丰富的羟基结构、易改性、无毒可降解,同时拥有良好的保水性与分散性,因此可应用于涂料、树脂、生物医药等领域。水凝胶是具有三维网络的高分子材料,通过对材料设计改性,可赋予材料多种功能,拓宽其应用领域。本文基于羟乙基纤维素水凝胶,分别引入高分子聚合物与无机粒子,合成功能性复合材料,并对其进行形貌结构表征,使材料分别具备导电、高吸水与吸附性能。第一部分,将导电高分子聚吡咯引入羟乙基纤维素水凝胶网络中,通过一步法合成聚吡咯与羟乙基纤维素的溶液,聚合完成加入聚乙烯醇,经冻融循环后形成导电聚合物网络。实验根据导电性能与机械性能综合确定HEC的最适添加量为2 wt%,该电导率为7.07 S·m,应力为0.68 MPa、应变为280%。分别以三氯化铁与过硫酸铵为氧化剂制备水凝胶,讨论了氧化剂种类、用量对水凝胶导电性能、机械性能、保水性能以及灵敏度等的影响。最后利用制备的水凝胶组装简易柔性传感器,检测人体不同部位活动,显示出良好的灵敏性与耐久性。第二部分,将无机粒子高岭土(Kaolin)与二氧化钛(Ti O)负载于羟乙基纤维素水凝胶网络中,制备合成具有高吸水能力的水凝胶。实验以HEC与聚丙烯酸为基体,首先确定HEC、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵的最佳用量分别为1 g、0.25%、0.45%。经溶胀实验发现,水凝胶体系中添加无机粒子可以有效提高水凝胶吸水能力,当添加0.06 g Kaolin时,溶胀度为45272%,是未添加无机粒子水凝胶吸水能力的2.4倍,当添加0.3 g Ti O时,溶胀度为40674%。且对水凝胶在不同环境(p H、温度、盐溶液)的吸水能力进行测试,发现水凝胶具有良好的p H敏感性和盐溶液敏感性。第三部分,利用无机粒子负载合成的水凝胶做吸附剂,考察其对阳离子染料亚甲基蓝的处理能力。实验证实两种无机粒子负载于水凝胶后均具有良好的吸附能力。以Kaolin为无机填料合成的水凝胶做吸附剂,确定Kaolin用量为0.06 g时,水凝胶的吸附能力最佳。当吸附温度为45℃、吸附剂用量为0.5 g/L、染料初始浓度为500 mg/L时,水凝胶的吸附能力最好,最大吸附量为928.9 mg/L。当Ti O负载于水凝胶中,含量为0.1 g时,水凝胶的吸附能力最强。在环境温度为25℃、吸附剂用量为0.3 g/L、染料初始浓度为500 mg/L,水凝胶的吸附能力为1380.0 mg/L。当两种水凝胶吸附剂用量相同时,以二氧化钛为无机填料所制备的水凝胶吸附能力优于以高岭土做无机填料的水凝胶。二者吸附过程遵循Langmuir函数,符合准二级动力学模型,吸附过程速率受多个过程控制。