论文总字数：24675字

摘 要

本论文采用比较节能的前端聚合反应模式，以丙烯酸（AA）与N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）为单体快速制备自愈合P(AA-co-NVP)水凝胶材料。在本反应体系中，前端端面始终是以一个恒定的速度向下移动，同时温度-时间曲线中存在等温区域和极值点，证明在这一反应过程中只发生了纯粹前端聚合。考察了不同的单体质量配比（AA:NVP = 1:2、AA:NVP = 1:4、AA:NVP = 1:6、AA:NVP = 1:8）对前端聚合速率和温度以及产物的机械性能、自愈合性能和溶胀性能的影响。对P(AA-co-NVP)水凝胶材料的机械性能进行探讨，发现当AA:NVP=1:2时，拉伸强度可达0.12 MPa，表明水凝胶材料具有良好的机械性能。这些水凝胶材料也具有良好的自愈合性能，自愈合效率可达到94％。此外，研究了不同的单体质量配比所制备的水凝胶在不同pH值水溶液（酸性、中性、碱性）的溶胀性能，发现该水凝胶表现出明显的pH响应性，表明该水凝胶在pH传感器方面具有潜在的应用前景。

关键词：前端聚合 水凝胶 自愈合 机械强度 pH响应

Rapid Preparation and Application of Self-Healing Hydrogels via Frontal Polymerization

Abstract

In this thesis, frontal polymerization, an energy-saving polymerization mode, was employed to synthesize self-healing hydrogels, poly(AA-co-NVP) (AA = acrylic acid, and NVP = N-vinylpyrrolidone ), with use of AA and NVP as monomers. In this system, the front was always moved downward at a constant speed, along with a horizontal part and a maximum temperature (T_max) in the temperature profile, suggesting the occurrence of pure frontal polymerization. Moreover, the effect of different monomer mass ratios on the frontal velocity and temperature, and on the mechanical properties, self-healing properties and swelling characteristics of the resultant hydrogels were thoroughly investigated. The results show that the hydrogels possess good mechanical properties; the hydrogels with AA/NVP = 1:2 wt/wt show tensile stress of 0.12 MPa. These hydrogels also exhibit excellent self-healing capacity with healing efficiency up to 94%. In addition, the as-prepared hydrogels show sensitive swelling response to aqueous solutions with different pH values, which might be useful for pH sensors.

Key Words: Frontal Polymerization; Hydrogels; Self-Healing; Mechanical Properties; pH Sensing

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2水凝胶 1

1.2.1分类 1

1.2.2应用 2

1.2.3研究现状 2

1.3前端聚合反应 3

1.3.1分类 3

1.3.2判断依据 4

1.3.3应用 5

1.3.4研究现状 6

1.4本学位论文的研究目的和内容 6

1.4.1研究目的 6

1.4.2研究内容 7

第二章 实验部分 8

2.1实验原料 8

2.2主要仪器和设备 8

2.3实验装置 9

2.4 P(AA-co-NVP)水凝胶的制备 9

2.5 表征方法 10

第三章 结果与讨论 11

3.1引发剂的用量对前端聚合反应发挥的作用及其选用 11

3.1.1引发剂发挥的作用 11

3.1.2引发剂的选用 11

3.2 AA/NVP共聚物的前端聚合 12

3.3发生纯粹前端聚合反应的判断依据 14

3.3.1前端端面的位置与时间的曲线关系 14

3.3.2温度曲线 15

3.4单体（AA/NVP）的质量配比对前端端面的速率和最高温度T_max的影响 16

3.5单体（AA/NVP）的质量配比对机械性能的影响 18

3.5.1对拉伸强度的影响 18

3.5.2对断裂伸长率的影响 19

3.6单体（AA/NVP）的质量配比对自愈合效率的影响 20

3.7 P(AA-co-NVP)水凝胶材料的溶胀性能分析 22

3.7.1 在中性溶液中的溶胀性能分析 23

3.7.2 在酸性溶液中的溶胀性能分析 23

3.7.3 在碱性溶液中的溶胀性能分析 24

3.8 P(AA-co-NVP)水凝胶材料的应用 26

第四章 结论 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 文献综述

1.1引言

水凝胶材料作为一种比较典型的软质材料，其结构简单来说是几条亲水的聚合物链段，它们彼此相互交联，因此具有非常良好的溶胀性能，不会被溶解掉。水凝胶材料既具备液体的一些性质也具备固体的某些性质，不同扩散系数的分子可在其结构内部被固定，又能够对外部环境的微小变化产生特异性响应(如温度、pH值、电、光、磁场)，实现与外部环境之间的信息交流，具备吸水与保水、溶胀快和弹性好等优良特点，从而成为了当下的研究热点之一。^[1,2]水凝胶具有的这些优越性能进一步拓宽了共聚物水凝胶材料的应用范围，使水凝胶材料的应用前景更加明朗。

1.2水凝胶

1.2.1分类

凝胶的结构是一种三维网络状，其中含有大量的液体相成分，并且由于其结构上的特点可将液体相成分固定，在当今的大环境下占据着重要的一席之位。根据水凝胶功能上的一些差异，在一定程度上可以把水凝胶材料粗略地分为普通水凝胶（Ordinary hydrogel）、功能型水凝胶（Functional hydrogel）。普通水凝胶具有的功能对其应用范围具有一定的局限作用，而且整体的性能同样一般，可应用性也较差，而功能型水凝胶能够兼具普通水凝胶的吸水保水和溶胀快这些优良特性，能够对外部环境微小的变化产生一系列的特异性响应。近十年，通过合理的分子设计，研究者们研究出了一种功能型水凝胶，具备强度高、延展性好、良好的自愈合性能等功能。功能水凝胶指的是具备某种或某些功能的水凝胶材料，具有优良且稳定的化学特性、比较好的机械性能以及对环境发生某些细小变化的敏感性也比较高。

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