Page 111 - 《精细化工》2021年第4期

第 4 期 阿尔普丁·艾尼娃尔，等: PNIPAM/锂藻土/GO 近红外光响应水凝胶的制备及其应用初探
土，边通氮气边超声分散；随后，加入 0.3 mL 质量
浓度为 2 g/L GO 分散液，其中，GO 含量为 0.21%
（以 NIPAM 的质量计，下同），超声搅拌；在 0 ℃
下向上述体系加入 50 μL TMEDA 溶液（7 mmol/L），
通氮气继续反应 5 min；接着，将 0.25 mL 质量浓度为
20 g/L KPS 溶液快速加入到上述体系，超声混合均匀；
最后，立即将上述混合液抽回至注射器中并密封，室
温下放置 12 h，即得到 L-PNIPAM/GO 水凝胶，命
名为 L-PNIPAM/GO-12.0-0.21。
其余样品的制备方法同上，保持其他条件不变，
改变 GO 用量，质量浓度为 2 g/L GO 分散液用量分
别为 0、0.5 和 1 mL，即得到 GO 含量为 0、0.36%、
0.71%的一系列 L-PNIPAM/GO 水凝胶，分别命名为
L-PNIPAM/GO-12.0-0、 L-PNIPAM/GO-12.0-0.36 、
L-PNIPAM/GO-12.0-0.71。
1.2.4 VPTT 测定
取出模具中的水凝胶，用去离子水洗净表面未
反应的小分子化合物，并用滤纸吸干表面水分，将
其切成棱长为 1 cm 1 cm 小正方体，置于 35 ℃烘
箱中脱水，当体积不再缩小后记录脱水后的水凝胶
质量（m 0 ，g）；脱水后的水凝胶块浸泡在不同温度
去离子水中，待水凝胶的质量不再变化后用滤纸吸
干表面水分，记录溶胀后质量（m 1 ，g），利用式（1）
计算溶胀率（W s ，%），将此实验重复进行 3 次，取
平均值。
W s /%=(m 1 –m 0 )/m 0 100
1.2.5 水凝胶拉伸性能测试
取出模具中的水凝胶，用去离子水洗净表面未
反应的小分子化合物，用滤纸吸干表面水分，然后
将水凝胶两端固定在拉伸试验机夹具的中心位置上，
保证水凝胶处于竖直放松的状态，再以 100 mm/min
的拉伸速率将水凝胶进行拉伸至断裂为止，测试其
拉伸性能。实验中用到的水凝胶为直径 d=5 mm、有
效初始长度 l 0 =50 mm 的圆柱体，水凝胶的拉伸强度
由式（2）计算得到。
σ*=F/S(1+Δl/l 0 )
式中：σ*为水凝胶真应力，Pa；F 为应力，N；S 为
2
受力面积，m ；Δl 为拉伸过程中水凝胶受拉力部分
长度与初始长度之差，m；l 0 为水凝胶初始长度，m。
2 结果与讨论
2.1 锂藻土含量对 L-PNIPAM 水凝胶拉伸性能的
影响
对不同锂藻土含量的 L-PNIPAM 水凝胶力学性
能进行了测试，见图 1。由图 1 可知，当锂藻土含
量过低时，所制备的样品为黏稠状液体，无法固定
于拉伸试验机上进行力学性能测试。随着锂藻土含
·745·
量的增加，L-PNIPAM 水凝胶的拉伸强度先增大后
减小，当锂藻土含量为 16.0%时，制备的 L-PNIPAM-
16.0 水凝胶的拉伸强度达到最大值，为 121.08 kPa。
L-PNIPAM 水凝胶的断裂伸长率随着锂藻土用量的
增加呈先增加后减小的趋势。当锂藻土含量为
12.0%时，L-PNIPAM-12.0 水凝胶的断裂伸长率为
1171%。由于锂藻土含量的增加，体系中的交联点
也随之增加，因此会有更多分子链得以交联，从而
使得水凝胶的聚合物网络变得较为紧密，导致拉伸
强度增强；同时其结构也更趋于完善，能够很好地
将外力分散出去，使得断裂伸长率得以增大 [16] 。当
锂藻土含量增加到 21.3%时，水凝胶出现了拉伸强
度和断裂伸长率均下降的现象，这种现象产生的原
因可能是锂藻土含量较高时，作为交联的位点增多，
原本较长的蜷缩聚合物链变短，拉伸时不利于应力
在凝胶网络中的耗散，拉伸强度反而会降低 [17] 。所
以，后续实验选择锂藻土含量为 12.0%进行考察。
（1）
图 1 锂藻土含量对 L-PNIPAM 水凝胶拉伸性能的影响
Fig. 1 Effect of laponite content on the tensile properties
of L-PNIPAM hydrogels
2.2 GO 含量对 L-PNIPAM/GO 水凝胶拉伸性能的
影响
在锂藻土含量为 12.0%的基础上，GO 作为光热
转换试剂引入到水凝胶中，考察不同 GO 含量对
L-PNIPAM/GO 水凝胶拉伸性能的影响，见图 2。由
（2） 图 2 可知，少量 GO 的引入（0.21%）会提高
L-PNIPAM/GO 水凝胶的拉伸强度，当进一步提高
GO 含量时，水凝胶的拉伸强度会降低，说明 GO 起
了交联剂的作用，而这是由于 GO 片与 PNIPAM 之
间的氢键作用所形成的物理交联 [18] 。当 GO 含量为
0.21%时，制备的 L-PNIPAM/GO-12.0-0.21 水凝胶拉
伸强度为 123.98 kPa，断裂伸长率为 1181%，呈现
较好的力学性能。所以，GO 的适量引入会提高水
凝胶的力学性能。
采用 SEM 对 GO 含量分别为 0、0.21%和 0.36%
制成的 L-PNIPAM/GO-12.0 水凝胶的微观结构进行
了表征，见图 3。