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  水凝膠材料是由高分子長(zhǎng)鏈經(jīng)過(guò)交聯(lián)的聚合物鏈大分子網(wǎng)絡(luò)，基于不同長(zhǎng)鏈或單體含有的特定基團(tuán)合成的水凝膠可以響應(yīng)不同溫度、pH和電場(chǎng)環(huán)境下的變化，以此可以應(yīng)用在不同領(lǐng)域�；诖耍�天津工業(yè)大學(xué)李婷婷副教授團(tuán)隊(duì)與臺(tái)灣逢甲大學(xué)林佳弘特聘教授和臺(tái)灣亞洲大學(xué)樓靜文特聘教授合作，通過(guò)凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)并制備了可應(yīng)用于防刺防護(hù)和重金屬污染物吸附領(lǐng)域的水凝膠及其復(fù)合材料，相關(guān)系列成果已發(fā)表在Compos Part A-Appl S、Compos Part B-Eng、Sci Total Environ和J Hazard Mater等期刊。

1、水凝膠基質(zhì)軟質(zhì)防刺復(fù)合材料的研究進(jìn)展

  目前對(duì)于軟質(zhì)防刺材料的研究多采用剪切增稠流體浸漬織物的方式，然而這種防刺材料被破壞后無(wú)法再次利用，因此亟需開(kāi)發(fā)一種柔韌并且可二次利用的軟質(zhì)防刺材料�；诖�，利用高性能纖維材料和高強(qiáng)凝膠結(jié)合界面優(yōu)勢(shì)，提出了一種軟質(zhì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)策略，制備出了凝膠-織物協(xié)同增韌且可自修復(fù)的軟質(zhì)防刺復(fù)合材料，取得了一系列研究成果(Compos Part A-Appl S 2021,106388; Compos Part B-ENG 2021,108856)。

  在目前的研究中，首先將Pluronic F127在三乙胺和丙烯酰氯的存在下誘導(dǎo)產(chǎn)生Pluronic F127DA。利用PF127DA在水溶液中自組裝成表面帶有乙烯基的聚合物膠束，然后將其用作多功能交聯(lián)劑。進(jìn)而將PF127DA和彈性單體丙烯酸-2-甲氧乙基酯（MEA）進(jìn)行自由基聚合，并引入納米羥基磷灰石粒子，制備納米羥基磷灰石出Pluronic/PMEA水凝膠，見(jiàn)圖1。在此基礎(chǔ)上，將納米羥基磷灰石Pluronic/PMEA水凝膠成型前的混合溶液浸漬在芳綸織物中，制備出軟質(zhì)防刺復(fù)合材料。 

圖1 納米羥基磷灰石Pluronic/PMEA水凝膠合成以及軟質(zhì)防刺復(fù)合材料的制備過(guò)程

圖2 納米羥基磷灰石Pluronic/PMEA水凝膠的自修復(fù)特性

從圖3中可以看出水凝膠基質(zhì)和織物之間界面結(jié)合牢固。復(fù)合材料的抗穿刺、抗頂破和抗撕裂性能分別高于純芳綸織物15倍、18倍和42倍。復(fù)合材料的最大載荷遠(yuǎn)高于純芳綸織物和純水凝膠的最大載荷的加和，證實(shí)了織物和水凝膠之間的協(xié)同作用。 

圖3 軟質(zhì)水凝膠復(fù)合芳綸防刺復(fù)合材料的微觀形貌、抗穿刺、抗頂破和抗撕裂性能

  原文鏈接：

  https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106388

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108856

2、水凝膠及其織物復(fù)合材料在重金屬吸附領(lǐng)域的應(yīng)用

  纖維或織物復(fù)合水凝膠材料已經(jīng)被應(yīng)用在制備高強(qiáng)度防護(hù)復(fù)合材料和醫(yī)用敷料領(lǐng)域等。由于織物具有比表面積大和孔隙率高等優(yōu)勢(shì)，使水凝膠復(fù)合非織布結(jié)構(gòu)在解決水凝膠吸附材料強(qiáng)度低、難再生等缺陷的同時(shí)高效提升了其吸附效率和吸附量。基于此，結(jié)合非織造材料優(yōu)勢(shì)，制備出了一種具有快速吸附性能的凝膠復(fù)合材料，并取得了一系列研究成果(Sci Total Environ 2021 143640; J Hazard Mater 2021 125029)。

  在目前的研究中，基于PVA/P(AA-AM)互穿雙網(wǎng)水凝膠，通過(guò)引入PEGDMA對(duì)PVA和P(AA-AM)聚合物長(zhǎng)鏈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控強(qiáng)化，增強(qiáng)水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性；隨后，以等離子體處理的非織布為骨架與水凝膠復(fù)合，構(gòu)建PEGDMA互穿雙網(wǎng)水凝膠復(fù)合非織布結(jié)構(gòu)，制備了一種具有高效吸附速率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的水凝膠復(fù)合吸附材料，見(jiàn)圖4。 

圖4 PVA/P(AA-AM)水凝膠復(fù)合非織布吸附材料的制備以及吸附性能

  復(fù)合材料在pH > 3的環(huán)境中，對(duì)Pb (II)和Ni(II)的去除效率皆達(dá)到95%以上，吸附動(dòng)力學(xué)均符合偽二階動(dòng)力學(xué)模型。在308 K時(shí)，通過(guò)Langmuir吸附等溫模型得出復(fù)合材料對(duì)Pb(II)最大吸附容量達(dá)到233.12 mg/g，對(duì)Ni(II)的吸附容量為165.06 mg/g。在298、303和308 K的吸附數(shù)據(jù)均適合Langmuir吸附模型，復(fù)合材料對(duì)于兩種離子的吸附方式主要是通過(guò)配位和離子交換。復(fù)合材料經(jīng)過(guò)5次吸附-解吸附試驗(yàn)后對(duì)兩種離子的去除效率仍大于90%。

  基于上述研究成果，為優(yōu)化IDN水凝膠與非織布表面結(jié)合強(qiáng)度，并提升水凝膠復(fù)合非織布的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和吸附容量，在IDN水凝膠引入TMM和β-環(huán)糊精（β-CD）進(jìn)行化學(xué)鍵合調(diào)控膠體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并與氨解醛基化非織布結(jié)合，構(gòu)建TMM/β-CD水凝膠復(fù)合材料，得到了一種無(wú)紡布復(fù)合水凝膠，見(jiàn)圖5。 

圖5 TMM/β-CD水凝膠復(fù)合非織布 

圖6 TMM/β-CD水凝膠復(fù)合非織布的吸附性能

  TMM 引入后最大壓縮應(yīng)力提升了20%，β-CD引入使水凝膠對(duì)Pb(II)和Ni(II)的吸附量分別提升21.3%和27.3%。復(fù)合材料對(duì)Pb(II)和Ni(II)的吸附速率分別提升25%和33%，最大吸附容量達(dá)到416.07和243.10 mg/g，且經(jīng)5次吸附-解吸附仍有90%的吸附效率。

  原文鏈接：

  https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.125029

  https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143640