收藏本站
《东华大学》 2018年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于微流体纺丝制备聚丙烯酰胺类凝胶纤维及其刺激响应性研究

彭利  
【摘要】:利用电场响应性水凝胶在电场作用下弯曲,可将其作为仿肌肉驱动器。然而,传统水凝胶响应速度慢、力学性能差,且报道的凝胶大多为块状、条状或片状,在制造人工肌肉驱动器时缺乏灵活性,从而极大地限制了其实际应用。基于上述问题,研究者们做了许多工作并取得了很大进展。在凝胶网络中掺杂石墨烯等电性能优异的添加剂,或者缩小凝胶尺寸制成凝胶纤维等均可提高凝胶的电场响应速度;而引入无机粘土作为交联剂形成纳米复合水凝胶可以增强凝胶的力学性能,但兼具快速电场响应性和优异力学性能的凝胶纤维目前还很少报道。微流体纺丝是近年来新出现的一种制备连续微米级凝胶纤维的有效手段,即纺丝原液在微流体芯片的微通道中流动而不接触微通道内壁,在微通道出口经物理或化学交联或固化成连续的纤维。目前报道的微流体纺丝多以聚合物溶液为纺丝原液,纤维的成型依赖于相分离或离子交联,导致形成的凝胶纤维力学性能较差;而少数从单体出发制备凝胶纤维的报道中,单体的聚合方式均是通过紫外光引发聚合反应,并不适合石墨烯掺杂或无机粘土交联的纳米复合凝胶的制备,因而具有一定的局限性。本论文以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为模型单体,建立一种基于微流体即时纺丝(on-chip microfluidic spinning)和芯片外自由基聚合(off-chip free radical polymerization)制备连续凝胶纤维的新方法。在此基础上将氧化石墨烯(GO)和无机粘土(Clay)引入到凝胶网络中形成氧化石墨烯/聚(N-异丙基丙烯酰胺)/无机粘土/海藻酸钠(GO/PNIPAM/Clay/SA)纳米复合凝胶纤维,实现电场响应性和力学性能的同步提升。此外,基于GO/PNIPAM/Clay/SA凝胶纤维的近红外(NIR)光响应性,设计Y型同轴层流微流体芯片,通过微流体纺丝和自由基聚合制备连续的双层GO/PNIPAM/Clay/SA-PNIPAM/Clay/SA(GNC-NC)凝胶纤维,从而引入NIR光驱动性,将各向同性的体积收缩转变成各向异性的弯曲运动。论文的主要内容概括如下:(1)设计同轴层流微流体芯片,以单体NIPAM、交联剂、引发剂、催化剂和海藻酸钠组成的凝胶前驱体溶液为芯层溶液,氯化钙溶液为鞘层溶液,通过微流体纺丝制备连续的初生纤维,然后以初生纤维为模板通过自由基聚合制备连续的凝胶纤维。结果发现,阻止芯层溶液及初生纤维内单体等小分子的扩散是成功制备凝胶纤维的关键。因此,一方面在芯层溶液中引入海藻酸钠,不仅起到增加芯层溶液黏度而减少单体扩散的作用,又能通过离子交联获得连续的初生纤维;另一方面在聚合反应介质中引入了油溶性光引发剂安息香双甲醚(BDK),使初生纤维表层的单体进行光聚合固化成膜,阻止单体的扩散。通过研究微流体纺丝过程中鞘层溶液中氯化钙浓度和芯层溶液中海藻酸钠含量对凝胶纤维形态的影响,从而确定最佳配比:氯化钙浓度为200 mM,海藻酸钠含量为1wt.%。研究了PNIPAM/SA和PAM/SA凝胶纤维在电解质溶液中非接触直流电场响应行为,基于渗透压机理,含阴离子聚电解质海藻酸钠的PNIPAM/SA和PAM/SA凝胶纤维在电场作用下会向阴极弯曲。然而,当电解质溶液的温度高于PNIPAM/SA凝胶纤维的体积相转变温度(VPTT)时,PNIPAM/SA凝胶纤维会因温敏性而弯回中间位置并伴随着长度收缩。(2)以N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为交联剂,通过微流体纺丝和自由基聚合制备了GO掺杂的GO/PNIPAM/BIS/SA复合凝胶纤维,通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)表征了凝胶纤维的结构和形态,研究了GO含量对凝胶纤维力学性能、溶胀性能、温度响应性和电场响应性的影响。结果表明:由于GO与PNIPAM间存在氢键相互作用,GO的加入使得凝胶纤维内部的孔洞尺寸减小,但对凝胶纤维的温敏性影响不大。此外,GO的引入不仅增强了凝胶纤维的力学性能,也提高了凝胶纤维的电场响应速度。(3)以无机粘土(Clay)为交联剂,通过微流体纺丝和自由基聚合制备了连续的GO/PNIPAM/Clay/SA纳米复合凝胶纤维,考察了GO的引入对凝胶纤维中无机粘土交联作用的影响,研究了GO和无机粘土含量对凝胶纤维力学性能、溶胀性能和电场响应性的影响。结果表明:GO的存在使凝胶纤维中无机粘土含量略有损失,但不影响无机粘土的交联作用。与BIS交联的凝胶纤维相比,无机粘土交联的纳米复合凝胶纤维不仅具有较快的溶胀速率和较大的溶胀比,也表现出优异的力学性能和电场响应性。该凝胶纤维在0.1 M Na_2SO_4溶液中20 V电压下弯曲成90°所需的最短时间仅为3 s。增加GO含量、减小纤维直径和在一定范围内降低无机粘土含量均能提高凝胶纤维的电场响应速度。(4)设计Y型同轴层流微流体芯片,通过微流体纺丝和自由基聚合制备了连续的GNC-NC双层凝胶纤维,探讨了其在NIR光照射下的驱动行为,研究了两凝胶层厚度比对其NIR光驱动行为的影响。结果表明:双层凝胶纤维在NIR光照射下先向GNC凝胶层弯曲,然后弯向NC凝胶层。由于GO对NIR光具有高效吸收和光热转换功能,使GNC凝胶层的升温速率更快,先达到其VPTT而发生收缩,导致双层凝胶纤维向GNC凝胶层弯曲;随后NC凝胶层的温度亦超过其VPTT而发生收缩,且NC凝胶层的收缩速率比GNC凝胶层更快,从而使双层凝胶纤维的弯曲方向发生改变,向NC凝胶层弯曲。(5)从大块凝胶入手,通过自由基聚合制备了GO/PAM/BIS/SA凝胶样条,考察了GO在凝胶网络中的作用,研究了GO和BIS含量对GO/PAM/BIS/SA凝胶样条力学性能的影响,同时以丙烯酰胺(AM)单体为原料、海藻酸钙纤维为模板,通过微流体纺丝和自由基聚合制备了GO/PAM/BIS/SA凝胶纤维,并研究了其在电解质溶液中非接触直流电场响应性。结果表明:在无BIS存在的情况下,GO不能单独作为PAM网络的交联剂使用,但可以通过调节GO和BIS的含量改善GO/PAM/BIS/SA凝胶样条的力学性能。此外,基于双网络凝胶的机理,BIS交联的凝胶纤维也能实现高强度,在实验条件下凝胶纤维的断裂伸长率高达525%,且断裂强度为393 k Pa。同时该凝胶纤维也表现出较快的电场响应速度和较好的溶胀性能。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ340.64;TN492

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 郭松;尹苏娜;潘宜昌;陈苏;张利雄;;微流体技术制备多级结构材料的研究进展[J];中国科学:化学;2015年01期
2 张耀鹏;黄燕;罗杰;邵惠丽;胡学超;;微流体芯片在纤维成型方面的应用研究进展[J];传感器与微系统;2011年01期
3 廖列文;刘正堂;岳航勃;崔英德;;电场敏感智能水凝胶的研究进展[J];化工进展;2008年11期
4 李晓锋;梁松苗;李艳芳;王永鑫;徐坚;;仿生材料电活性聚合物“人工肌肉”的研究进展[J];高分子通报;2008年08期
5 尚婧;陈新;邵正中;;电场敏感的智能性水凝胶[J];化学进展;2007年09期
6 陈尔凡;张英杰;马驰;T Vladlkova;;电场敏感凝胶的研究和应用进展[J];化学世界;2006年03期
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 吕超;响应性水凝胶功能器件的光聚合制备与特性研究[D];吉林大学;2017年
2 张恩重;近红外响应石墨烯—聚合物水凝胶的制备及性能[D];华南理工大学;2015年
3 范金辰;石墨烯的制备与功能化及其在复合材料中的应用研究[D];上海交通大学;2014年
4 俞力为;大豆蛋白和明胶基pH-电场响应型智能凝胶纤维的制备和结构性能研究[D];东华大学;2009年
5 郭肖青;海藻纤维的制备及结构与性能研究[D];青岛大学;2007年
6 张高奇;海藻酸钠/聚(N-异丙基丙烯酰胺)pH/温度敏感水凝胶的制备及结构与性能的研究[D];东华大学;2005年
7 费建奇;PVA/PAA水凝胶纤维及其刺激响应行为的研究[D];东华大学;2002年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 国瑞;盛磊;刘静;;可穿戴机器人研究进展:材料学角度[J];科技导报;2015年23期
2 周皓宇;张祥;黄鸣阳;;人工肌肉及其在扑翼飞行技术中的应用探析[J];科技创新导报;2015年20期
3 沈奇;刘淼;韩晨皓;王田苗;梁建宏;;一种基于IPMC的新型发电装置的理论与实验研究[J];沈阳航空航天大学学报;2015年03期
4 李珉;柏逢明;;双晶片压电材料微型驱动系统研究[J];压电与声光;2014年06期
5 武观;胡颖;陈韦;;碳纳米管和石墨烯人工肌肉[J];科学通报;2014年23期
6 李莎;刘根起;梁迪迪;刘勇;廖家娥;;影响电刺激响应型智能水凝胶弯曲行为的因素[J];粘接;2014年02期
7 梁蕊;王晓燕;席国喜;;新型pH敏感羧甲基壳聚糖/聚天冬氨酸水凝胶的制备及性能[J];化工新型材料;2013年11期
8 张领;孙晓锋;景占鑫;牛腾云;刘柏辰;;半纤维素/碳纳米管复合凝胶的溶胀性能[J];化工进展;2013年08期
9 张素梅;朱文渊;龚红升;廖列文;;壳聚糖智能水凝胶及其在药物缓释方面的应用[J];仲恺农业工程学院学报;2013年02期
10 龚涛;周静;朱文渊;;合成条件对Poly(NIPAAm-co-DMAEMA)水凝胶电场弯曲性能的影响[J];仲恺农业工程学院学报;2013年01期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 彭利;基于微流体纺丝制备聚丙烯酰胺类凝胶纤维及其刺激响应性研究[D];东华大学;2018年
2 李冰;基于温敏水凝胶纺织医用敷料的制备及释药机制研究[D];浙江理工大学;2018年
3 张林;人发角蛋白的提取、纤维制备及对棉织物整理研究[D];青岛大学;2015年
4 张青松;新型聚(N-异丙基丙烯酰胺)类温敏性微凝胶的合成与表征[D];东华大学;2008年
5 刘永兵;新型流体转向剂[D];西南石油大学;2006年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 骆广生;王凯;徐建鸿;王玉军;吕阳成;;微化工过程研究进展[J];中国科学:化学;2014年09期
2 汪伟;谢锐;巨晓洁;褚良银;;微流控法制备新型微颗粒功能材料研究新进展[J];化工学报;2014年07期
3 李俊君;陈强;李刚;赵建龙;朱自强;;微流控技术应用于蛋白质结晶的研究[J];化学进展;2009年05期
4 林炳承;秦建华;;微流控芯片分析化学实验室[J];高等学校化学学报;2009年03期
5 陆振华;许宝建;金庆辉;赵建龙;;用于PDMS微芯片塑性成型的SU-8模具制作工艺的优化[J];功能材料与器件学报;2008年03期
6 陈光文;;微化工技术研究进展[J];现代化工;2007年10期
7 金霞朝;黄永民;周圆;刘洪来;;电场敏感性聚(丙烯酸-co-丙烯酸甲酯)凝胶的合成和性能[J];高分子学报;2007年08期
8 陈尔凡;张英杰;T Vladlkova;;聚乙烯吡咯烷酮半互穿网络智能凝胶的合成和电场行为研究[J];现代化工;2006年06期
9 焦明立;俞力为;肖茹;顾利霞;;水解聚丙烯腈/大豆分离蛋白凝胶纤维的电刺激性能[J];材料研究学报;2005年06期
10 刘主根,伊敏,翟茂林,哈鸿飞;PEO/PDMAEMA组成的半互穿网凝胶的辐射合成与电场响应性研究[J];高分子学报;2004年04期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 杨庆;高强度壳聚糖纤维的制备及结构性能研究[D];东华大学;2005年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;环球眼[J];课堂内外(科学Fans);2017年06期
2 张莉;徐宁;;化工领域中的微流体驱动方式[J];广州化工;2012年20期
3 穆莉莉;侯丽雅;章维一;;石英微流体器件制备仪的研制与实验研究[J];中国机械工程;2010年13期
4 章安良;韩庆江;尉一卿;叶丽军;;基于声表面波实现数字微流体的产生[J];传感技术学报;2010年10期
5 王珺,闫献勇,吴岚军,郭少朋;微流体器件在微量液体操作系统中的应用[J];微纳电子技术;2004年10期
6 章安良;尉一卿;韩庆江;叶丽军;;基于声表面波技术实现微流体数字化[J];压电与声光;2011年03期
7 章安良;费景臣;;声表面波驱动微流体研究[J];传感技术学报;2008年10期
8 车志刚;熊良才;龙芋宏;史铁林;;微流体控制系统研究及其应用前景[J];流体机械;2006年12期
9 乐加昌,徐红,张德元,崔元波,孟涛,吴岚军;微流体功能芯片检测装置在流感病毒检测中的初步研究[J];公共卫生与预防医学;2005年04期
10 张国贤,罗玉元;微流体装置与系统研究[J];上海大学学报(自然科学版);2003年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杨利军;朱丽;朱晓阳;陆宝春;王洪成;章维一;;微流体脉冲惯性喷射技术制备微电极[A];2015光学精密工程论坛论文集[C];2015年
2 朱学林;褚家如;;微流体交变电渗驱动仿真研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
3 范士岡;;通用电操控微流体平台[A];2010年第四届微纳米海峡两岸科技暨纳微米系统与加工制备中的力学问题研讨会摘要集[C];2010年
4 张凯军;;超磁致伸缩薄膜转换器及其在微流体控制元件中的应用[A];2006年全国电子机械和微波结构工艺学术会议论文集[C];2006年
5 苏波;崔大付;刘长春;陈兴;;微流体光纤芯片的研究进展[A];中国传感器产业发展论坛暨东北MEMS研发联合体研讨会论文集[C];2004年
6 付世;董良;岳瑞峰;刘理天;;实现定量和混合的PDMS微流体器件的研究[A];第二届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2004年
7 朱丽;朱晓阳;杨利军;章维一;;微流体脉冲喷射技术制备多组分微胶囊[A];2015光学精密工程论坛论文集[C];2015年
8 王伟强;;Pluronic共聚物在数字微流体生物芯片中的应用[A];2014年中国药学大会暨第十四届中国药师周论文集[C];2014年
9 刘正春;王宏银;邬燕琪;杨飞鹏;石环环;;匀速流体反应器的设计及应用研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第02分会:分离分析及微、纳流控新方法[C];2014年
10 王洪成;朱丽;杨利军;朱晓阳;戴振东;;基于微流体脉冲惯性力驱动虾卵细胞的液滴包裹[A];2015光学精密工程论坛论文集[C];2015年
中国重要报纸全文数据库 前7条
1 记者 张梦然;器官芯片成功模拟女性月经周期[N];科技日报;2017年
2 张晔 通讯员 杨萍;我微流体数字化技术使液滴量分辨率达10-15升[N];科技日报;2004年
3 记者 颜维琦 通讯员 魏娜;复旦研发全新概念光控微流体新技术[N];光明日报;2016年
4 记者 冯卫东;微流体装置可改善癌症检测[N];科技日报;2016年
5 张巍巍;微流体平台可模拟细胞分裂三维环境[N];科技日报;2012年
6 杨晓云;搭建专业化创业平台 推动“人才强市”战略[N];大众科技报;2010年
7 王小龙;美开发出低成本便携式血液检验装置[N];科技日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 彭利;基于微流体纺丝制备聚丙烯酰胺类凝胶纤维及其刺激响应性研究[D];东华大学;2018年
2 姜峰;微流体萃取分离铜铁锌离子的研究[D];昆明理工大学;2018年
3 陈翔;微流体及纳米磁珠在生物医学上的应用研究[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2005年
4 杨胡坤;微流体的电渗驱动及其相关技术的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
5 刘吉晓;微流体隔离泵送和微流体次序流动系统研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
6 丁天朋;基于动电现象的微流体发电机[D];华中科技大学;2017年
7 张晓乐;微胶囊的微流体数字化制备技术及配套器件制作工艺研究[D];南京理工大学;2008年
8 任玉坤;微粒与微流体交流电动操控机理及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
9 林莹;基于拉曼光谱的微流体传递过程及其应用的研究[D];华东理工大学;2011年
10 耿鑫;微流体脉冲驱动—控制基础实验研究[D];南京理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 侯天文;回音壁模式分裂及微流体传感器的研究[D];哈尔滨工程大学;2018年
2 肖毕权;杂质离子对微流体萃取铜和萃取铟的影响[D];昆明理工大学;2017年
3 谢峰;协同络合作用下微流体萃取轻稀土的基础研究[D];昆明理工大学;2017年
4 韩庆江;基于声表面波技术实现数字微流体的产生[D];宁波大学;2012年
5 顾正学;基于微流体数字化技术的粉体微输送实验研究[D];南京理工大学;2009年
6 鞠鑫;微流体测控组件研究[D];黑龙江大学;2005年
7 霍彦婷;点面电极系统的微流体驱动机理分析与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 夏洪伟;基于超介质的微流体传感器[D];重庆邮电大学;2016年
9 张永立;生物芯片无阀压电扩散管微流体泵流场数值模拟[D];华中科技大学;2004年
10 余海燕;微流体混合影响因素数值分析[D];天津大学;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026