聚乙烯吡咯烷酮/LDH纳米复合水凝胶的制备及表征

赵　维，李玉红

(咸阳师范学院化学与化工学院，陕西 咸阳 712000)



聚乙烯吡咯烷酮/LDH纳米复合水凝胶的制备及表征

赵维，李玉红

(咸阳师范学院化学与化工学院，陕西 咸阳 712000)

摘要：以N-乙烯吡咯烷酮(NVP)为单体、LDH为交联剂和增强剂、偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，通过原位聚合法引发链式聚合反应得到聚乙烯吡咯烷酮/LDH纳米复合水凝胶，并对其红外光谱、吸水性能、透明度、力学性能进行了分析。结果表明，该复合水凝胶具有良好的弹性、较强的吸水性，当LDH浓度为5%时，透光率达到93.1%。

关键词：N-乙烯吡咯烷酮；LDH；偶氮二异丁腈；复合水凝胶

随着科技的快速发展和社会的进步，人们对水凝胶性能的要求也越来越高。天然或合成的聚合物水凝胶的稳定性、机械性能较差且易降解[1-2]，使其应用受到很大的限制[3]。性能突出的纳米复合水凝胶因此成为该领域的研究热点。聚合物/LDH纳米复合材料作为一种新型的、性能优异的有机-无机复合功能材料[4]，将无机物的刚性、尺寸稳定性、热稳定性与聚合物的韧性、加工成型性以及介电性能完美结合[5-6]，已成为材料领域的重要研究方向。鉴于此，作者以N-乙烯吡咯烷酮(NVP)为单体、LDH为交联剂和增强剂、偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，通过原位聚合法引发链式聚合反应得到聚乙烯吡咯烷酮/LDH纳米复合水凝胶，并对其性能进行了表征和测试。

1实验

1.1试剂与仪器

N-乙烯吡咯烷酮，分析纯，Aldrich公司；硝酸镁、硝酸铝，化学纯，天津登峰化学试剂厂；氢氧化钠，化学纯，天津恒昊科工贸有限公司；无水碳酸钠，化学纯，天津红岩化学试剂厂；正戊醇，化学纯，中国医药公司；偶氮二异丁腈，分析纯，天津博迪化工股份有限公司。

SC-Ⅲ型多频声化学发生器，成都九州超声技术有限公司；D/max-2200PC型X-射线衍射仪、IRPRISTIGE-21X型红外光谱仪，日本；力学性能检测器，温州际高检测仪器有限责任公司；透明度测试仪，天津世博伟业化玻仪器有限公司；DZX-3型真空干燥箱；85-2型恒温磁力搅拌器；电子万能拉力机。

1.2方法

1.2.1共沉淀法制备LDH

20 ℃下，称量45gAl(NO3)3·6H2O与10.25gMg(NO3)2·6H2O置于250mL烧杯中，加入150mL蒸馏水溶解配制成混合溶液；另取12.8gNaOH和2.12gNa2CO3溶于蒸馏水配制成混合碱溶液；将Al(NO3)3·6H2O和Mg(NO3)2· 6H2O的混合溶液倒入三口瓶中，在氮气保护及高速搅拌下缓慢加入混合碱溶液；加毕，继续剧烈搅拌1h，再缓慢搅拌老化2h，得到镁铝混合金属氢氧化物沉淀；将沉淀于室温下静置48h后加入蒸馏水，1 000r·min-1离心洗涤3次，每次10min，置于真空干燥箱中烘干，即得LDH固体。

1.2.2原位聚合法制备聚乙烯吡咯烷酮/LDH纳米复合水凝胶

取一定量的LDH配制成3%～7%的LDH水溶液；将单体NVP与一定量的AIBN按配比200∶1在多频声化学发生器中充分混合制得混合液；将不同浓度的LDH水溶液与混合液在多频声化学发生器中充分混合；通氮气30 min以充分除去体系中的氧气，磁力搅拌下升温至70 ℃，恒温反应5 h，得到聚乙烯吡咯烷酮/LDH纳米复合水凝胶(以下简称复合水凝胶)。

1.3分析测试

1)红外光谱分析： KBr压片，以空气为背景，测试LDH及复合水凝胶的红外光谱。

2)吸水性能分析：将质量为m前的复合水凝胶样品(长7 cm、宽4 cm、厚2 mm，下同)放入加有蒸馏水的试管中，th后取出，得到无色透明样品，质量为m后；计算t时刻的溶胀比Rt=m前/m后，分析吸水性能。

3)透明度分析：将复合水凝胶样品放在透明度测试仪上于25 ℃测试透光率和雾度，分析透明度。

4)力学性能分析：将复合水凝胶样品放在电子万能拉力机上测试压缩强度，压缩速率为2 mm·min-1，压缩比为80%，测试温度为25 ℃，测试复合水凝胶样品的最大力、最大变形和时间，分析其力学性能。

2结果与讨论

2.1红外光谱分析(图1)

图1　LDH(a)和复合水凝胶(b)的红外光谱

由图1b可看出，在3 600 cm-1左右出现层中-OH的伸缩振动峰；在1 600 cm-1左右出现结晶水中-OH的弯曲振动峰；在1 300 cm-1左右出现-CH3的宽伸缩振动峰；在500 cm-1左右出现-CH2的弯曲振动峰；经分析，在3 000 cm-1以上无C-H伸缩振动峰，1 600 cm-1左右无C=C的伸缩振动峰，有C=O伸缩振动峰和-OH的弯曲振动峰。表明样品为复合水凝胶。

2.2吸水性能分析(表1)

由表1可知，当LDH与NVP和AIBN混合液的体积比为3∶5、LDH浓度为4%和6%时，溶胀比较大，分别为0.230和0.183；当LDH与NVP和AIBN混合液体积比为3∶7、LDH浓度为5%时，溶胀比最大，为0.291。表明，复合水凝胶的吸水性能很好。

2.3透明度分析(表2)

由表2可知，LDH与NVP和AIBN混合液的体积比为3∶3时，透光率为91.4%；当LDH与NVP和AIBN混合液的体积比为3∶5、LDH浓度为6%时的透光率最大，为91.2%；当LDH与NVP和AIBN混合液的体积比为3∶7、LDH浓度为5%时的透光率最大，为93.1%。

表1复合水凝胶的吸水性能

Tab.1　Water absorbancy of composite hydrogel

2.4力学性能分析

2.4.1不同体积比、相同LDH浓度的复合水凝胶的力学性能(图2、表3)

表2复合水凝胶的透光率和雾度

Tab.2　Light transmittance and fog degree of composite hydrogel

图2　不同体积比、相同LDH浓度的复合水凝胶的力学性能

表3LDH浓度为7%时，不同体积比的复合水凝胶的力学性能

Tab.3Mechanical properties of composite hydrogel with

different volume ratios at LDH concentration of 7%

由表3可知，在LDH浓度为7%时，LDH与NVP和AIBN混合液的体积比为3∶7时的最大力最大，为57.02 N；LDH与NVP和AIBN混合液的体积比为3∶3时的最大变形最大，为46.53 mm，所用时间最长，为28.00 s。

2.4.2不同LDH浓度、相同体积比的复合水凝胶的力学性能(图3、表4)

图3　不同LDH浓度、相同体积比的复合水凝胶的力学性能

表4体积比为3∶7时，不同LDH浓度的复合水凝胶的力学性能

Tab.4Mechanical properties of composite hydrogel with

different LDH concentrations at volume ratio of 3∶7

由表4可知，在LDH与NVP和AIBN混合液体积比为3∶7时，最大力随LDH浓度的增加先增大后减小，在LDH浓度为6%时达到最大，为73.80 N；最大变形随LDH浓度的增加而减小，在LDH浓度为3%时达到最大，为33.22 mm。表明聚乙烯吡咯烷酮/LDH纳米复合凝胶具有良好的弹性。

3结论

以N-乙烯吡咯烷酮为单体、LDH为交联剂和增强剂、偶氮二异丁腈为引发剂，通过原位聚合法引发链式聚合反应得到聚乙烯吡咯烷酮/LDH纳米复合水凝胶，并对其红外光谱、吸水性能、透明度、力学性能进行了分析。结果表明，该复合水凝胶具有良好的弹性、较强的吸水性，当LDH浓度为5%时，透光率达到93.1%。

参考文献：

[1]姜宇，刘守信，房喻，等．温度/pH敏感性P(MAA-g-DEAM)共聚物水溶液的相行为[J]．物理化学学报，2007，65(21)：2437-2442．

[2]容建华，陈敏，胡永红，等．纳米复合水凝胶的制备与表征[J]．暨南大学学报(自然科学与医学版)，2005，26(5)：657-661．

[3]张晶晶，李文迪，容建华．聚乙烯吡咯烷酮/粘土纳米复合水凝胶的制备及表征[J]．高等学校化学学报，2010，31(10)：2081-2087．

[4]HARAGUCHI K,LI H J,SONG L.Unusually high hydrophobicity and its changes observed on the newly-created surfaces of PNIPA/clay nanocomposite hydrogels[J].Journal of Colloid and Interface Science,2008,326(1):41-50.

[5]CHEN W,QU B J.Structural characteristics and thermal properties of PE-g-MA/MgA1-LDH exfoliation nanocomposites synthesize by solution intercalation[J].Chem Mater,2003,15(16):3208-3213.

[6]王辉，包永忠，黄志明，等．聚氯乙烯/纳米水滑石复合材料的形态与力学性能[J]．高分子学报，2005，13(5)：693-697．

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

中图分类号：O 641

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2016)02-0038-04

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.02.008

作者简介：赵维(1971-)，女，陕西兴平人，博士，教授，主要从事功能材料的研究，E-mail：xysyzw@126.com。

收稿日期：2015-11-05

基金项目：陕西省科技厅科研基金资助项目(2013JM2016)，陕西省教育厅专项科研项目(2013JK0642)