碳纳米管/聚N-异丙基丙烯酰胺复合材料的制备与性能研究

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碳纳米管/聚合物导电复合材料是一种新型的功能材料,已成为研究和开发的热点。聚N-异丙基酰胺是典型的温度敏感型聚合物,相变温度在人体生理温度附近略高于环境温度,具有无细胞毒性、生物相容行良好、易于改性等优良特性。碳纳米管由于其非常优异的力学、电学、化学等性能备受关注。将碳纳米管和聚N-异丙基丙烯酰胺复合,可以得到性能优异的新型复合材料,在生物传感器、生物医学等领域有很好的应用前景。  本论文采用微波辐射和水浴加热法合成PNIPAM,研究了不同溶剂、聚合时间、聚合温度和交联剂含量对产率的影响,并测试了PNIPAM凝胶在不同温度和pH值下的溶胀率。通过傅里叶红外变换光谱(FTIR)、热重分析(TGA)、示差扫描热分析(DSC)、扫描电镜(SEM)研究了PNIPAM凝胶的结构、热稳定性和表面形貌特征。结果表明,以H2O为溶剂反应更加稳定,平均产率更高;与普通水浴加热法比较,微波法的反应时间从10h缩减到1h左右,产率最高达到98.79%;微波辐射改善了PNIPAM水凝胶对温度和pH值的敏感性。微波辅助合成PNIPAM的最佳条件为:H2O为溶剂,100~110℃反应40~60min,交联剂含量为5%,单体转化率97%~98%。所以,微波法是一种更加有效快速的制备PNIPAM水凝胶的方法。  本论文通过原位聚合法、共混法、微波法分别制备了碳纳米管/聚N-异丙基丙烯酰胺(MWCNTs-COOH/PNIPAM)复合材料。利用FTIR、TGA研究了复合材料的化学结构和热稳定性,并通过SEM、透射电镜(IEM)观察复合材料的表面形貌和碳纳米管在基体中的分散情况。对所有复合材料的导电性和在有机蒸汽中的电阻响应进行测试,结果表明:随着碳纳米管含量的增加,复合材料电阻率逐渐下降;微波法和原位聚合法的逾渗阈值在5.0wt%左右,比共混法低;复合材料在各种溶剂蒸汽中的电阻响应程度都随着MWCNTs含量的增加呈逐渐升高的趋势,微波法的电阻响应程度较高,氯仿中最高达到1016。对微波法制备的MWCNTs-COOH/PNIPAM复合材料在不同温度、pH条件下进行溶胀率和电化学性能测试,表明复合材料具有较好的温度和pH敏感性。  以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)和聚丙烯酰胺(PAM)为基体,分别采用共混法和微波合成法将其与碳纳米管复合,制备了碳纳米管/聚N-异丙基丙烯酰胺/聚丙烯酰胺(MWCNTs-COOH/PNIPAM/PAM)复合材料。通过FTIR、TGA、SEM、TEM等手段对复合材料进行表征。对复合材料的导电性以及在有机蒸汽中的电阻响应进行检测,结果表明:随着碳纳米管含量的增加,复合材料电阻率逐渐下降;微波法制备的复合材料的电阻率比共混法稍小,导电率较大;微波法制备的复合材料在各种溶剂蒸汽中的最大电阻响应与MWCNTs含量呈正比关系,在MWCNTs含量15%时在氯仿蒸汽中最大达到5258。微波法制备的MWCNTs/PNIPAM/PAM复合材料的溶胀率比共混法的更显著,复合材料对pH的电极信号响应与在对pH的溶胀曲线情况相对应。
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