前端聚合法制备三重非共价相互作用的超强自愈合水凝胶外文翻译资料

 2023-02-01 10:52:04

英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

南京工业大学

《化学工程与工艺》专业

本科毕业论文(设计)

外文资料翻译

原文名称 Construction of Triple Non-Covalent Interactions-Based Ultra- Strong Self-Healing Polymeric Gels via Frontal Polymerization

原文作者 Ji-Dong Liu, Xiang-Yun Du, Cai-Feng Wang, Qing Li and Su Chen

原文出版物 Journal of Materials Chemistry C

翻译内容页码 全文

中文名称 前端聚合法制备三重非共价相互作用的超强自愈合聚合物凝胶

前端聚合法制备三重非共价相互作用的超强自愈合水凝胶

引言

自愈合水凝胶因其广阔的应用前景而受到广泛关注。然而，自愈合水凝胶的机械强度和通用性较差，极大地限制了其实用性。在这里，我们通过前端聚合（FP）设计了一种可用的聚（NIPAM-co-MAH-beta;-CD-co-ZDA）凝胶（NIPAM=N-异丙基丙烯酰胺，MAH-beta;-CD=beta;-环糊精接枝乙烯基羧酸，ZDA=丙烯酸锌）。得益于三重非共价相互作用（羧基-Zn2 配位、主客体相互作用和氢键相互作用），产物具有优异的自愈合性（愈合效率高达95%）和力学性能（拉伸应力为1.41 Mpa）。高机械强度、自愈合性能和热响应性使得新型多功能自愈合型热响应智能窗研制成功，大大提高了其可行性和实用性。我们的工作提供了一种通过整合多种非共价相互作用来制备高性能聚合物凝胶的简便方法，这为多功能智能窗口提供了一条有希望的探索道路。

1.介绍

自愈凝胶因其自修复特性和长久的使用寿命而引起了人们的广泛兴趣，在各种应用中具有广阔的前景。1-5非共价相互作用，如氢键相互作用、6-8主客体相互作用、9-11金属离子-配体相互作用、12、13疏水相互作用14、15和聚合物-纳米复合物相互作用，16，17已被公认为设计自愈凝胶的一种有前途的策略。然而，这类自愈凝胶的机械强度较差。为了解决这个问题，多重非共价相互作用的合成被认为是一种有效的策略。例如，Dronskowski等人18发现，合成氢键相互作用可以导致共价键的强度（＞100 kJ mol-1）。Wu等人19报道了一种通过氢键相互作用、离子缔合和疏水相互作用构建的具有多重动态交联网络的坚固仿生皮肤。Liu等人20合成了具有多种非共价键相互作用（氢键相互作用、羧基-Ca2 配位和聚（N-丙烯酰-2-甘氨酸）链-羟基磷灰石相互作用）的具有高机械强度（高达0.72 Mpa拉伸强度）和自愈合能力的有机-无机杂化水凝胶。虽然在开发高强度凝胶方面取得了很大的进展，但由于凝胶的机械强度通常与自愈性成反比，因此仍然是一个关键的挑战。通过增加交联密度可以获得较高的机械强度，而自愈合行为会被削弱。21因此，设计既具有坚固性又具有自愈合行为的聚合物凝胶至关重要。最近，各种各样的聚合物凝胶被设计成坚固的自愈凝胶，例如纳米复合凝胶，22、23物理多机制单网络凝胶、24、25杂化凝胶26和互穿聚合物网络（IPN）凝胶27特别是，Wan等人22设计了一种具有韧性和自愈性的纤维素纳米复合水凝胶，其中单宁酸包覆的纤维素纳米晶充当动态连接桥，赋予水凝胶优越的自愈合性和力学性能。Liu等人24合成了N-丙烯酰胺酰甘氨酸酰胺（NAGA），其中一个侧基含有双酰胺，形成多个氢键相互作用，使水凝胶具有强大的力学性能和自愈合性能。Li等人26通过使用羧甲基瓜尔胶钠、丙烯酸和Fe3 设计了一种由共价和非共价相互作用组成的分层网络水凝胶，显示出优异的自愈合性能（48小时的愈合效率为94.2%）和优异的机械强度（断裂强度=1.37 Mpa）。受这些研究的启发，我们设计了一种由共价相互作用和三重非共价相互作用（羧基-Zn2 配位、主客体相互作用和氢键相互作用）组成的自愈合聚合物凝胶。动态羧基-Zn2 配位能快速、可逆地缔合和解离，可作为聚合物凝胶的物理交联点，提高聚合物凝胶的交联密度。同时，beta;-环糊精与异丙基之间的主客体相互作用和羧基与氨基之间的氢键相互作用在断裂后可以自发地重新结合。由于多种相互作用的协同效应，所制备的聚合物凝胶具有优异的力学性能，拉伸应力高达1.41 Mpa，同时具有优异的自愈合性能（自愈率达95%）。前端聚合（FP）是一种简便、快速的聚合方式，单体通过自发的局部反应区在整个体系中转化为聚合物，已被广泛应用于几分钟内合成聚合物凝胶。一旦一个稳定的前端发生，聚合可以自我维持，并在10分钟内完成，没有任何额外的能量。FP因其节能、操作灵活、省时等特点，在制造功能高分子方面引起了广泛关注，包括聚氨酯、28聚合物分散液晶材料、29热固性聚合物30和水凝胶等，White等人30开发了一种新型FP，用于制造高性能聚双环戊二烯和纤维增强聚合物复合材料，与传统技术相比，所需的时间和能源要少几个数量级。陈等人31设计了一种新型的过硫酸铵（APS）/CDs水凝胶体系。本课题组研制了一种新型的磁辅助FP-Fe3O4掺杂自愈凝胶，其自愈合效率约为95%，具有较高的机械强度（应力强度约为1.25times;105 pa）。32

通常地，在这项工作中，我们选择了一种新的单体丙烯酸锌（ZDA）与客体单体N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和主体单体beta;-环糊精通过FP接枝乙烯基羧酸基团（MAH-beta;-CD）共聚（方案1a和b）。通过共聚ZDA，实现了无须后处理的直接构筑金属配位体，这在以往的研究中鲜有报道。此外，FP具有省时、易操作和节能的显著优点，使得这种坚固的自愈合聚合物凝胶的高效构建成为可能。我们的工作结合了多重非共价相互作用和FP的优点，不仅实现了自愈合聚合物凝胶的简易合成，而且使其具有更高的机械强度。

有趣的是，聚（NIPAM-co-MAH-beta;-CD-co-ZDA）凝胶对温度变化具有令人满意的反应。这一特性促使我们构建了一种新型的自愈热响应智能窗，它可以有效地调节可见光的透过率（方案1c）。据我们所知，这种自愈智能窗口以前没有报道过。这项工作不仅为制备高性能的自愈凝胶提供了一条有效途径，而且为新一代多功能智能窗口提供了新的视角。

图1

方案1：

  1. 聚（NIPAM-co-MAH-beta;-CD-co-ZDA）聚合物凝胶的制备。
  2. 示意图通过FP构建坚固且自愈合的聚合物凝胶的图示。
  3. 示意图为自愈热响应性聚（NIPAM-co-MAH-beta;-CD-co-ZDA）的智能窗口。

2.实验

材料和试剂

PAM、ZDA和N,Nrsquo;-亚甲基二丙烯酰胺（MBAA）购自Aldrich。N,N-二甲基甲酰胺（DMF），beta;-环糊精（beta;-CD）、顺丁烯二酸酐（MAH）、硫酸（H2SO4）、三氯甲烷、丙酮及氧化还原体系过硫酸铵（APS）/N,N,N,,Nrsquo;-四甲基乙二胺（TMEDA）均从中国上海国药化学试剂有限公司获得。184硅橡胶基和固化剂从陶氏化学公司购买。所有材料均未经进一步处理。在整个实验过程中使用超纯水（18 MOmega; cm）。

FP法制备聚（NIPAM-co-MAH-beta;-CD-co-ZDA）凝胶

按照报告的程序用马来酸酐对beta;-CD进行改性。36简单地说，在室温下搅拌5.68 g beta;-CD和30 mL DMF的混合物，然后添加4.90 g马来酸酐。然后在80 ℃下在剧烈搅拌下进行反应10小时。最后用三氯甲烷和丙酮对产物进行再结晶纯化。将一定量的ZDA、MAH-beta;-CD、NIPAM、MBAA、APS与DMF在剧烈搅拌下混合，得到均匀的混合物，转移到10 ml玻璃试管中。通常，MAH-beta;-CD/NIPAM=5:5（w/w），DMF=50 wt%，ZDA=10 wt%，MBAA=0.25 wt%，APS=0.8 wt%。FP是由液体顶部的热铁棒触发。可以注意到，一个移动的“前端”形成并以恒定的速度向下移动。聚合完成后，从管中取出聚合凝胶。

速度和温度测量

通过记录前端位置作为时间函数来测量前端运动的速度。纯FP的证据是前端位置和时间是一条直线，斜率代表前端速度。采用Ti30红外热像仪，通过记录试管中间一点的温度随时间的变化来测量温度。

聚（NIPAM-co-MAH-beta;-CD-co-ZDA）聚合物凝胶的自愈合试验

为了测试聚合物凝胶的自愈性，我们将聚合物凝胶切成两片，然后粘在一起，让它们在没有任何刺激的情况下自愈。通过应力-应变试验测定了试样的愈合效率。每个样品至少测试三次，以确保再现性，并取平均值。

聚（NIPAM-co-MAH-beta;-CD-co-ZDA）聚合物凝胶的溶胀测量

通过重量分析测定溶胀率（SR）。记录样品的初始重量，然后在室温下将样品浸入过量水中。样品会膨胀并保持水分，导致重量增加。然后取出样品，擦掉表面多余的水，并按规定的时间间隔称重。称重后，样品再次回到水中。每天都换水。重复进行该程序直到样品重量恒定。溶胀率使用以下公式计算：

测量

用quanta200（Philips-FEI，Holland）在20.0 kv下对聚合物凝胶的形态进行了SEM表征。在过量的去离子水中除去未反应的单体和溶剂后，用冷冻干燥法对产物进行脱水。在扫描电镜（SEM）测试中，将脱水样品切割暴露其内部结构，在25 ℃、十字头速度为50 mm/min的SANS-CMT6203试验机上测量其力学性能，并用Nicolet-6700光谱仪在室温下进行傅立叶变换红外光谱（FT-IR）测试。聚合物凝胶的自愈合过程通过美国热电公司的Thermo-Scientific Nicolet iN10红外显微镜通过显微红外图像记录。用PerkinElmer Lambda 950紫外-可见分光光度计测定了聚合物凝胶的透过率。差示扫描量热仪（DSC）试验通过同步热分析仪（STA 449 F3 Jupiterreg;，Netzsch，Germany）以1 ℃ minminus;1的加热速率进行。

结果和讨论

多重非共价相互作用的设计及FP法制备聚（NIPAM-co-MAH-beta;-CD-co-ZDA）聚合物凝胶

采用多重非共价相互作用来提高材料的力学性能和自愈合性能。基于这一点，我们选择ZDA、NIPAM和MAH-beta;-CD作为共单体，赋予产物羧基-Zn2 配位、主客体相互作用和氢键相互作用以及热响应性能。

首先，我们研究了用FP法合成聚（NIPAM-co-MAH-beta;-CD-co-ZDA）聚合物凝胶。在FP的整个过程中，自发的反应促进了单体在几分钟内转化为聚合物，如图2a和b所示。为了证实纯FP的发生而没有自发聚合（SP），我们测量了前端速度和温度分布。恒定的前端速度是纯FP的典型特征之一。图2c显示了典型FP运行中作为时间函数的前端位置（初始条件：MAH-beta;-CD/NIPAM=5:5（w/w），DMF=50 wt%，ZDA=10 wt%，APS=0.8 wt%，MBAA=0.25 wt%）。完美拟合直线的数据表明发生了纯FP。如图2d所示，温度分布是纯FP的另一典型特征。曲线的水平部分表明单体在开始时是惰性的，并随着加热前端的移动而逐渐聚合。当前端到达固定点时，温度达到一个极值点（Tmax），表明出现了纯FP，没有SP发生。否则，由于SP，温度会立即升高，而不是水平线。FP的动力学与单体配比密切相关。我们已经进行了一些实验来研究单体配比对前端速度和Tmax的影响。较高的NIPAM浓度可能导致强烈的聚合，伴随着大量气泡的出现，而较低的NIPAM浓度由于缺乏热释放而不能维持FP过程。因此，选择MAH-beta;-CD/NIPAM质量比为4:6～7:3（w/w）的整个范围进行FP。如图2e和f所示，当MAH-beta;-CD/NIPAM质量比从4:6增加到7:3（w/w）时，前端速度从1.8 cm/min降低到0.6 cm/min，而Tmax从83.9降低到55.9 ℃。随着NIPAM浓度的降低，前端速度和Tmax

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[261138]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章