聚乙烯吡咯烷酮/LDH納米復(fù)合水凝膠的制備及表征

趙　維，李玉紅

(咸陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

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聚乙烯吡咯烷酮/LDH納米復(fù)合水凝膠的制備及表征

趙維，李玉紅

(咸陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

摘要：以N-乙烯吡咯烷酮(NVP)為單體、LDH為交聯(lián)劑和增強(qiáng)劑、偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑，通過(guò)原位聚合法引發(fā)鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)得到聚乙烯吡咯烷酮/LDH納米復(fù)合水凝膠，并對(duì)其紅外光譜、吸水性能、透明度、力學(xué)性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該復(fù)合水凝膠具有良好的彈性、較強(qiáng)的吸水性，當(dāng)LDH濃度為5%時(shí)，透光率達(dá)到93.1%。

關(guān)鍵詞：N-乙烯吡咯烷酮；LDH；偶氮二異丁腈；復(fù)合水凝膠

隨著科技的快速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)水凝膠性能的要求也越來(lái)越高。天然或合成的聚合物水凝膠的穩(wěn)定性、機(jī)械性能較差且易降解[1-2]，使其應(yīng)用受到很大的限制[3]。性能突出的納米復(fù)合水凝膠因此成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。聚合物/LDH納米復(fù)合材料作為一種新型的、性能優(yōu)異的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合功能材料[4]，將無(wú)機(jī)物的剛性、尺寸穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性、加工成型性以及介電性能完美結(jié)合[5-6]，已成為材料領(lǐng)域的重要研究方向。鑒于此，作者以N-乙烯吡咯烷酮(NVP)為單體、LDH為交聯(lián)劑和增強(qiáng)劑、偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑，通過(guò)原位聚合法引發(fā)鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)得到聚乙烯吡咯烷酮/LDH納米復(fù)合水凝膠，并對(duì)其性能進(jìn)行了表征和測(cè)試。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試劑與儀器

N-乙烯吡咯烷酮，分析純，Aldrich公司；硝酸鎂、硝酸鋁，化學(xué)純，天津登峰化學(xué)試劑廠；氫氧化鈉，化學(xué)純，天津恒昊科工貿(mào)有限公司；無(wú)水碳酸鈉，化學(xué)純，天津紅巖化學(xué)試劑廠；正戊醇，化學(xué)純，中國(guó)醫(yī)藥公司；偶氮二異丁腈，分析純，天津博迪化工股份有限公司。

SC-Ⅲ型多頻聲化學(xué)發(fā)生器，成都九州超聲技術(shù)有限公司；D/max-2200PC型X-射線衍射儀、IRPRISTIGE-21X型紅外光譜儀，日本；力學(xué)性能檢測(cè)器，溫州際高檢測(cè)儀器有限責(zé)任公司；透明度測(cè)試儀，天津世博偉業(yè)化玻儀器有限公司；DZX-3型真空干燥箱；85-2型恒溫磁力攪拌器；電子萬(wàn)能拉力機(jī)。

1.2方法

1.2.1共沉淀法制備LDH

20 ℃下，稱量45gAl(NO3)3·6H2O與10.25gMg(NO3)2·6H2O置于250mL燒杯中，加入150mL蒸餾水溶解配制成混合溶液；另取12.8gNaOH和2.12gNa2CO3溶于蒸餾水配制成混合堿溶液；將Al(NO3)3·6H2O和Mg(NO3)2· 6H2O的混合溶液倒入三口瓶中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)及高速攪拌下緩慢加入混合堿溶液；加畢，繼續(xù)劇烈攪拌1h，再緩慢攪拌老化2h，得到鎂鋁混合金屬氫氧化物沉淀；將沉淀于室溫下靜置48h后加入蒸餾水，1 000r·min-1離心洗滌3次，每次10min，置于真空干燥箱中烘干，即得LDH固體。

1.2.2原位聚合法制備聚乙烯吡咯烷酮/LDH納米復(fù)合水凝膠

取一定量的LDH配制成3%～7%的LDH水溶液；將單體NVP與一定量的AIBN按配比200∶1在多頻聲化學(xué)發(fā)生器中充分混合制得混合液；將不同濃度的LDH水溶液與混合液在多頻聲化學(xué)發(fā)生器中充分混合；通氮?dú)?0 min以充分除去體系中的氧氣，磁力攪拌下升溫至70 ℃，恒溫反應(yīng)5 h，得到聚乙烯吡咯烷酮/LDH納米復(fù)合水凝膠(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合水凝膠)。

1.3分析測(cè)試

1)紅外光譜分析： KBr壓片，以空氣為背景，測(cè)試LDH及復(fù)合水凝膠的紅外光譜。

2)吸水性能分析：將質(zhì)量為m前的復(fù)合水凝膠樣品(長(zhǎng)7 cm、寬4 cm、厚2 mm，下同)放入加有蒸餾水的試管中，th后取出，得到無(wú)色透明樣品，質(zhì)量為m后；計(jì)算t時(shí)刻的溶脹比Rt=m前/m后，分析吸水性能。

3)透明度分析：將復(fù)合水凝膠樣品放在透明度測(cè)試儀上于25 ℃測(cè)試透光率和霧度，分析透明度。

4)力學(xué)性能分析：將復(fù)合水凝膠樣品放在電子萬(wàn)能拉力機(jī)上測(cè)試壓縮強(qiáng)度，壓縮速率為2 mm·min-1，壓縮比為80%，測(cè)試溫度為25 ℃，測(cè)試復(fù)合水凝膠樣品的最大力、最大變形和時(shí)間，分析其力學(xué)性能。

2結(jié)果與討論

2.1紅外光譜分析(圖1)

圖1　LDH(a)和復(fù)合水凝膠(b)的紅外光譜

由圖1b可看出，在3 600 cm-1左右出現(xiàn)層中-OH的伸縮振動(dòng)峰；在1 600 cm-1左右出現(xiàn)結(jié)晶水中-OH的彎曲振動(dòng)峰；在1 300 cm-1左右出現(xiàn)-CH3的寬伸縮振動(dòng)峰；在500 cm-1左右出現(xiàn)-CH2的彎曲振動(dòng)峰；經(jīng)分析，在3 000 cm-1以上無(wú)C-H伸縮振動(dòng)峰，1 600 cm-1左右無(wú)C=C的伸縮振動(dòng)峰，有C=O伸縮振動(dòng)峰和-OH的彎曲振動(dòng)峰。表明樣品為復(fù)合水凝膠。

2.2吸水性能分析(表1)

由表1可知，當(dāng)LDH與NVP和AIBN混合液的體積比為3∶5、LDH濃度為4%和6%時(shí)，溶脹比較大，分別為0.230和0.183；當(dāng)LDH與NVP和AIBN混合液體積比為3∶7、LDH濃度為5%時(shí)，溶脹比最大，為0.291。表明，復(fù)合水凝膠的吸水性能很好。

2.3透明度分析(表2)

由表2可知，LDH與NVP和AIBN混合液的體積比為3∶3時(shí)，透光率為91.4%；當(dāng)LDH與NVP和AIBN混合液的體積比為3∶5、LDH濃度為6%時(shí)的透光率最大，為91.2%；當(dāng)LDH與NVP和AIBN混合液的體積比為3∶7、LDH濃度為5%時(shí)的透光率最大，為93.1%。

表1復(fù)合水凝膠的吸水性能

Tab.1　Water absorbancy of composite hydrogel

2.4力學(xué)性能分析

2.4.1不同體積比、相同LDH濃度的復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能(圖2、表3)

表2復(fù)合水凝膠的透光率和霧度

Tab.2　Light transmittance and fog degree of composite hydrogel

圖2　不同體積比、相同LDH濃度的復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能

表3LDH濃度為7%時(shí)，不同體積比的復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能

Tab.3Mechanical properties of composite hydrogel with

different volume ratios at LDH concentration of 7%

由表3可知，在LDH濃度為7%時(shí)，LDH與NVP和AIBN混合液的體積比為3∶7時(shí)的最大力最大，為57.02 N；LDH與NVP和AIBN混合液的體積比為3∶3時(shí)的最大變形最大，為46.53 mm，所用時(shí)間最長(zhǎng)，為28.00 s。

2.4.2不同LDH濃度、相同體積比的復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能(圖3、表4)

圖3　不同LDH濃度、相同體積比的復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能

表4體積比為3∶7時(shí)，不同LDH濃度的復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能

Tab.4Mechanical properties of composite hydrogel with

different LDH concentrations at volume ratio of 3∶7

由表4可知，在LDH與NVP和AIBN混合液體積比為3∶7時(shí)，最大力隨LDH濃度的增加先增大后減小，在LDH濃度為6%時(shí)達(dá)到最大，為73.80 N；最大變形隨LDH濃度的增加而減小，在LDH濃度為3%時(shí)達(dá)到最大，為33.22 mm。表明聚乙烯吡咯烷酮/LDH納米復(fù)合凝膠具有良好的彈性。

3結(jié)論

以N-乙烯吡咯烷酮為單體、LDH為交聯(lián)劑和增強(qiáng)劑、偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，通過(guò)原位聚合法引發(fā)鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)得到聚乙烯吡咯烷酮/LDH納米復(fù)合水凝膠，并對(duì)其紅外光譜、吸水性能、透明度、力學(xué)性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該復(fù)合水凝膠具有良好的彈性、較強(qiáng)的吸水性，當(dāng)LDH濃度為5%時(shí)，透光率達(dá)到93.1%。

參考文獻(xiàn)：

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Preparation and Characterization ofN-Polyvinylpyrrolidone/LDH Nano Composite Hydrogel

ZHAO Wei，LI Yu-hong

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,XianyangNormalUniversity,Xianyang712000,China)

Abstract：Using N-vinylpyrrolidone(NVP) as a monomer,LDH as a cross-linking agent and enhancer,azobisisobutyronitrile(AIBN) as an initiator,N-polyvinylpyrrolidone/LDH nano composite hydrogel was obtained by in-situ polymerization.And its IR spectrum,water absorbency,transparency,and mechanical property were analyzed.Results showed that the composite hydrogel had good flexibility and strong water absorbency.When the concentration of LDH was 5%,the light transmittance reached 93.1%.

Keywords：N-vinylpyrrolidone;LDH;azobisisobutyronitrile;composite hydrogel

中圖分類(lèi)號(hào)：O 641

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5425(2016)02-0038-04

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.02.008

作者簡(jiǎn)介：趙維(1971-)，女，陜西興平人，博士，教授，主要從事功能材料的研究，E-mail：xysyzw@126.com。

收稿日期：2015-11-05

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳科研基金資助項(xiàng)目(2013JM2016)，陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研項(xiàng)目(2013JK0642)