半纤维素基温敏性水凝胶的制备与性能研究

论文摘要

聚合物水凝胶是在水中溶胀而不溶解的交联网络状高分子聚合物,长期以来一直是人们研究的热点领域。尤其是近年来发展迅速的智能水凝胶材料,以其独特的结构和对外界微小刺激,如温度、pH值、离子强度等的响应性,在生物、医药及组织工程等领域有着广阔的应用前景,正逐渐成为材料研究领域中新的研究热点。此外,随着石油危机的加剧,以来源广泛、可再生、低毒性和良好生物相容性的生物质基高分子材料为原料制备智能水凝胶方面的研究已引起人们的密切关注,并将为生物质的高质化利用开辟一条新途径。本论文通过乙酸法和KOH抽提法分别从多枝桉木片以及农业废弃物-玉米芯中提取半纤维素（Hcel）,然后以此半纤维素原料经以下两种方法制备温敏性水凝胶,并通过FTIR、IC、DSC等分析测试手段对半纤维素原料及其衍生物的结构、单糖组成以及水凝胶的温敏性,如低临界溶解温度（lower critical solution temperature, LCST）等进行表征,以及考察该类水凝胶在不同环境温度下的溶胀/消溶胀行为。第一种,选用马来酸酐与半纤维素进行反应,得到大分子侧链上带有乙烯基官能团的半纤维素衍生物（Hcel-MA）。然后,将该衍生物与具有温度响应特性的N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）单体在溶剂中混合均匀,最后在紫外光辐照下引发二者进行自由基聚合反应,从而制备出具有三维网络结构的Hcel-MA-NIPAAm（简称*MN）系列水凝胶材料。研究结果表明,该系列水凝胶具有明显的温度负响应特性,随着外界温度升高,水凝胶收缩,平衡溶胀率减小。半纤维素衍生物Hcel-MA的加入,能提高凝胶的平衡溶胀率,PNIPAAm凝胶室温时平衡溶胀率约为凝胶干重的10倍,而*MN系列水凝胶室温下的平衡溶胀率最高可达30倍左右。并且,可以通过调节Hcel-MA和NIPAAm的配比来调控水凝胶的形貌及温度响应特性。随着Hcel-MA添加量的增大,水凝胶的溶胀速率加快。第二种,采用原子转移自由基聚合方法（ATRP）,通过控制反应条件,将具有温度响应特性的NIPAAm和交联功能单体二甲基丙烯酸乙二醇酯（Ethylene Glycol Dimethacrylate, EDG）引入上述半纤维素侧链中,制备出具有PNIPAAm链段和不饱和双键封端侧链的半纤维素衍生物,然后在光引发剂作用下经紫外光辐照交联制备水凝胶。研究结果表明,所制得水凝胶具有温度负响应特性,其LCST均在30-32℃之间。并且,通过改变反应中的物料组成,如NIPAAm、EDG用量等,可以调控半纤维素主链上的接枝位点、温敏性链段的长度及交联程度等,从而影响水凝胶材料的结构、形貌以及温度响应特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 水凝胶的研究概况
• 1.1.1 水凝胶的定义与结构特性
• 1.1.2 智能水凝胶的分类
• 1.1.3 水凝胶的制备
• 1.1.4 智能水凝胶的应用
• 1.2 天然高分子在水凝胶制备中的研究现状
• 1.3 半纤维素研究概况
• 1.3.1 半纤维素的分离与提取
• 1.3.2 半纤维素的改性与应用
• 1.4 研究意义和主要内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 原材料
• 2.2 半纤维素的提取
• 2.2.1 从多枝桉乙酸法制浆黑液中分离半纤维素
• 2.2.2 稀碱抽提法从玉米芯中分离半纤维素
• 2.3 水凝胶的制备
• 2.3.1 半纤维素基（Hcel-MA-NIPAAm）水凝胶的制备
• 2.3.2 ATRP法制备水凝胶
• 2.4 分析测试
• 2.4.1 半纤维素的表征
• 2.4.2 水凝胶的表征
• 第三章 半纤维素的提取及Hcel-MA-NIPAAm系列水凝胶的性能研究
• 3.1 HMN系列半纤维素基水凝胶的性能研究
• 3.1.1 半纤维素及其衍生物的制备与表征
• 3.1.2 水凝胶的结构性能及其影响因素
• 3.1.3 水凝胶的形貌及其影响因素
• 3.1.4 水凝胶的温敏性研究
• 3.2 AMN、BMN 系列半纤维素水凝胶的性能研究
• 3.2.1 稀碱抽提法半纤维素及其衍生物的结构分析
• 3.2.2 水凝胶的形貌及其影响因素
• 3.2.3 水凝胶的温敏性研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 ATRP法水凝胶的性能研究
• 4.1 水凝胶的制备及结构分析
• 4.2 水凝胶的形貌及其影响因素
• 4.3 BiBB取代度对水凝胶温敏性的影响
• 4.4 温敏性功能单体用量对水凝胶温敏性的影响
• 4.4.1 NIPAAm用量对水凝胶LCST行为的影响
• 4.4.2 NIPAAm用量对水凝胶溶胀/消溶胀行为的影响
• 4.5 交联单体用量对水凝胶温敏性的影响
• 4.5.1 EDG用量对水凝胶的LCST行为的影响
• 4.5.2 交联单体用量对水凝胶溶胀/消溶胀行为的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果
• 致谢
• 附件