聚合物凝胶电解质的制备实验报告.docx
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聚合物凝胶电解质的制备实验报告
智能凝胶的制备及配方
摘要：
高分子凝胶是由具有三维交联网络结构的聚合物与低分子介质共同组成的多元体系,其大分子主链或侧链上含有离子解离性、极性或疏水性基团,对溶剂组分、温度、pH值、光、电场、磁场等的变化能产生可逆的、不连续（或连续）的体积变化,所以可以通过控制高分子凝胶网络的微观结构与形态,来影响其溶胀或伸缩性能,从而使凝胶对外界刺激作出灵敏的响应,表现出智能。
1.概述：
水凝胶是一种柔软、湿润的网络结构材料，在仿生材料或生物医学材料领域有广泛的应用前景。
但传统的水凝胶机械性能差，限制了其应用。
目前，人们主要通过合成具有拓扑结构、双网络结构（DNgel）的水凝胶、或者采用纳米复合或click技术来提高水凝胶的机械性能。
本实验主要以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）为单体制备第一网络。
以丙烯酰胺（AAM）为单体作为第二网络并均匀分散于第一网络中，并聚合成第二网络。
以N，N'-亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）为交联剂，以过硫酸铵（APS）为引发剂，以去离子水作为溶剂进行反应，得到双网络水凝胶（DN凝胶）。
分别考查了不同AAM含量以及不同引发剂用量DN凝胶的拉伸性能及溶胀性能。
2.实验材料
2.1实验药品
丙烯酰胺（AAM）；
2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）；
NN'-亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）；
过硫酸铵（APS）；
去离子水；
2.2实验仪器
REGER-300型微机控制万能材料试验机；
HH-1型电热恒温水浴锅（北京科伟永兴仪器有限公司）；
ZD79-B真空干燥箱（北京兴争仪器设备厂）；
FA1104A电子天平（上海精天电子仪器厂）；
其他：
烧杯，玻璃片，表面皿，量筒，玻璃棒，滴管，镊子，小刀，封口膜等。
3.实验过程
3.1聚合物第一网络（PAMPS）系列
①将一定量的水、精制AMPS、过硫酸铵、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺加入烧杯中，得到无色透明溶液。
②将上述溶液，加入两片载玻片和橡胶隔层制成的模具中，密封。
③将上述模具放入60℃水浴中加热，恒温下反应4个小时后，停止反应。
即得无色透明凝胶。
④出料时，将四组反应产物从玻片中取出。
表1第一网络配方
交联剂（g）
去离子水（ml）
单体AMPS（g）
引发剂APS（g）
0.124
20
4.14
0.0456
3.2聚合物凝胶第二网络系列
①将一定量的水、精制AAM、过硫酸铵、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺加入烧杯中。
②将第一网络水凝胶浸泡于第二网络预聚液中，放入0℃冰箱中冷藏，溶胀24个小时后，取出。
③压片：
将溶胀后的凝胶，小刀裁剪成合适尺寸，放入载玻片橡胶隔层组成的模具中。
④放入60℃水浴中加热，恒温下反应4-5个小时后，停止反应。
即得互穿网络凝胶聚合物。
表2第二网络配方
编号
单体AAM
（g）
引发剂
（g）
交联剂
（g）
去离子水（ml）
1#
5.68
0.3684
0.124
80
2#
5.68
0.1842
0.124
80
3#
2.84
0.1842
0.124
80
3.3.1聚合物凝胶互穿网络系列
①将上步中得到的两组智能凝胶分别放置编号第一片、第二片。
②将第一片取出后直接测拉伸。
3.3.2聚合物凝胶互穿网络系列
①第二片取出后放置于盛有去离子水的烧杯中。
密封，至于常温下放置24个小时。
②取出第二片，测拉伸。
3.4凝胶在蒸馏水中的溶胀行为
①将一片互穿网络凝胶裁剪成正方形小块。
②将裁剪好的凝胶放入烘箱中烘干。
不定时测其质量，待质量不再改变后取出。
③放入盛有去离子水的烧杯中，密封。
常温下放置半个小时。
④取出称重。
并记录。
⑤放回水中继续常温下浸泡，半小时后取出称量，如此反复每半小时称量一次，直至四次后，每一小时称量一次，浸泡24小时后称重一最后次。
4．结果与讨论
4.1结果
图1.DN凝胶结构示意图
该图为双网络水凝胶，由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）作为单体，聚合形成第一网络凝胶，由丙烯酰胺（AAM）作为单体均匀扩散在第一网络凝胶中，并聚合形成第二网络凝胶。
得到双网络水凝胶。
4.1.1不同单体含量对拉伸的影响
浸泡前
表3浸泡前不同AAM用量对拉伸强度的影响
编号
单体AAM（g）
引发剂APS
（g）
交联剂用量
（g）
去离子水
（ml）
拉伸强度MPa
断裂伸长率
（%）
2#
5.68
0.1842
0.124
80
0.1357
99.56
3#
2.48
0.1842
0.124
80
0.1000
81.42
图2.2#样浸泡前拉伸曲线
宽：
7mm厚：
2mm标距：
20mm
载荷最大值：
1.9N
拉伸强度：
1.9/2*7=0.1357MPa
断裂伸长率：
23.894/24*100%=99.56%
图3.3#样浸泡前拉伸曲线
宽：
8mm厚：
2mm标距：
23mm
载荷最大值：
1.6N
拉伸强度：
1.6/2*8=0.1MPa
断裂伸长率：
18.726/23*100%=81.42%
在交联剂含量为0.124g引发剂含量为0.1842g去离子水含量为80ml情况下，单体用量为5.68g时，拉伸强度为100kPa。
单体用量为2.48g时拉伸强度为135.7kPa，拉伸强度要好约为前者1.36倍。
浸泡后
表4浸泡后不同AAM用量对拉伸强度的影响
编号
单体AAM（g）
引发剂APS
（g）
交联剂用量
（g）
去离子水
（ml）
拉伸强度MPa
断裂伸长率
（%）
2#
5.68
0.1842
0.124
80
0.091
79.11
3#
2.48
0.1842
0.124
80
0.027
28.59
图4.2#样浸泡后拉伸曲线
宽：
8mm厚：
3mm标距：
24mm
载荷最大值：
2.2N
拉伸强度：
2.2/3*8=0.091MPa
断裂伸长率：
18.98767/24*100%=79.11%
图5.3#样浸泡后拉伸曲线
宽：
6mm厚：
3mm标距：
30mm
载荷最大值：
0.45N
拉伸强度：
0.45/3*6=0.027MPa
断裂伸长率：
8.576667/30*100%=28.59%
实验结果表明：
在用水浸泡过之后，随着单体浓度的增加，凝胶拉伸强度有了明显的提高，从27kPa增加到91kPa,增加了3倍多，断裂伸长率由28.59%增加到79.11%。
是因为单体浓度的增加，是的扩散在第一网络中的PAAM含量增加，为凝胶增韧效果更强。
4.1.2不同引发剂含量对拉伸的影响
在交联剂含量为0.124g单体含量为5.68g去离子水含量为80ml情况下，引发剂含量为0.3684g凝胶的拉伸性能好。
浸泡前
表5浸泡前不同AAM用量对拉伸强度的影响
编号
单体AAM
（g）
引发剂
（g）
交联剂
（g）
去离子水（ml）
拉伸强度MPa
断裂伸长率（%）
1#
5.68
0.3684
0.124
80
0.07
110.66
2#
5.68
0.1842
0.124
80
0.1357
99.56
图6.1#样浸泡前拉伸曲线
宽：
5mm厚：
2mm标距：
24mm
载荷最大值：
0.7N
拉伸强度：
0.7/5*2=0.070MPa
断裂伸长率：
26.55833/24*100%=110.66%
图7.2#样浸泡前拉伸曲线
宽：
7mm厚：
2mm标距：
20mm
载荷最大值：
1.9N
拉伸强度：
1.9/2*7=0.1357MPa
断裂伸长率：
23.894/24*100%=99.56%
当引发剂用量为0.3684g时，其断裂伸长率（110.66%）与引发剂用量为0.182g时的断裂伸长率（99.56%）相差不多，但是后者拉伸强度明显优于前者。
浸泡后
表6浸泡后不同AAM用量对拉伸强度的影响
编号
单体AAM
（g）
引发剂
（g）
交联剂
（g）
去离子水（ml）
拉伸强度MPa
断裂伸长率（%）
1#
5.68
0.3684
0.124
80
0.0356
62.29
2#
5.68
0.1842
0.124
80
0.091
79.11
图8.1#样浸泡后拉伸曲线
宽：
9mm厚：
2.5mm标距：
21mm
载荷最大值：
0.8N
拉伸强度：
0.8/9*2.5=0.0356MPa
断裂伸长率：
12.66033/21*100%=60.29%
图9.2#样浸泡后拉伸曲线
宽：
8mm厚：
3mm标距：
24mm
载荷最大值：
2.2N
拉伸强度：
2.2/3*8=0.091MPa
断裂伸长率：
18.98767/24*100%=79.11%
实验结果表明：
在浸泡之后，随着引发剂用量的减少，凝胶的拉伸强度会明显提高，从之前的35.6kPa提高到91kPa,有将近3倍。
4.2计算水凝胶的溶胀率
计算水凝胶的溶胀度（SR）:
SR=[（Wt-Wd）/Wd]×100%.首先将水凝胶在去离子水中充分溶胀达到平衡,然后随时间增加出现平稳趋势。
Wt为溶胀平衡时凝胶质量。
Wd为干凝胶质量。
表71#样溶胀倍率
时间
质量
溶胀倍率
0
0.0128
0
30
0.0740
4.78125
60
0.0945
6.382813
90
0.1206
8.421875
120
0.1339
9.460938
150
0.1478
10.54688
180
0.1588
11.40625
240
0.1743
12.61719
300
0.1837
13.35156
420
0.1951
14.24219
1440
0.2049
15.00781
表82#样溶胀倍率
时间
质量
溶胀倍率
0
0.0286
0
30
0.1119
2.912587
60
0.1875
5.555944
90
0.2271
6.940559
120
0.2691
8.409091
150
0.2969
9.381119
180
0.3168
10.07692
240
0.3444
11.04196
300
0.3675
11.84965
420
0.3840
12.42657
1440
0.3897
12.62587
表93#样溶胀倍率
时间
质量
溶胀倍率
0
0.0086
0
30
0.0284
2.302326
60
0.0761
7.848837
90
0.0938
9.906977
120
0.1093
11.7093
150
0.1197
12.9186
180
0.1257
13.61628
240
0.1352
14.72093
300
0.1405
15.33721
420
0.1431
15.63953
1440
0.1442
15.76744
4.2.1不同单体含量对溶胀率的影响
图10.2#样与3#样溶胀曲线
3#样比2#样溶胀性能。
初始溶胀倍率随着溶胀时间迅速上升，420分钟（7小时）后溶胀倍率达到平衡。
如图10.所示，单体浓度低时，平衡溶胀率高，这是因为单体浓度低，网络更为疏松，容易扩张膨胀，故溶胀倍率更高。
4.2.2不同引发剂含量对溶胀率的影响
图11.1#样与2#样溶胀曲线
1#样比2#样溶胀性能好。
初始溶胀倍率随着溶胀时间迅速上升，420分钟（7小时）后溶胀倍率达到平衡。
如图11.所示。
引发剂浓度高时，平衡溶胀率高，因为高引发剂浓度使得第二网络单体AAM充分聚合，留有更多的空间，凝胶容易扩张膨胀，故溶胀倍率高。
4.3讨论
4.3.1单体浓度对凝胶的影响
在第二网络中，随着单体浓度的增加，凝胶的拉伸强度增加，但是溶胀倍率会降低，因为单体浓度低，第一网络更为疏松，容易扩张膨胀，故溶胀倍率更高。
4.3.2
在第二网络中，引发剂用量的减少，会令凝胶拉伸性能呢个提高，但是溶胀倍率会降低。
因为在保证充分引发的条件下，过多的引发剂会随着PAAM一起扩散到第一网络中，影响其性能。
参考文献
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