基于大振幅振荡剪切流变学的高分子-锂藻土凝胶化体系结构研究

高分子-锂藻土纳米复合水凝胶具有优异的力学性能和灵敏的环境响应，成为智能材料的研究重点。但这类凝胶至今只能用丙烯酰胺类单体在锂藻土悬浮液中原位聚合得到，单体-锂藻土悬浮液及高分子－锂藻土体系的相互作用与结构不明，无法进行分子设计与结构设计。本项目发挥大振幅振荡剪切(LOAS)流变方法在复杂流体结构研究方面的特长，在修正Fourier变换法、Lissajous曲线法和引入参数的基础上，以锂藻土悬浮液为对象，建立适用的LAOS方法；结合荧光、zeta电位、DLS、AFM等手段，研究聚合前功能性单体-锂藻土悬浮液体系中存在的相互作用和特定尺度的结构，以及高分子-锂藻土凝胶化体系的吸附、动态桥联结构与变化。通过导入LAOS方法和筛选功能性单体-锂藻土悬浮液，在研究手段和模型体系方面取得突破和创新。目标是认识这类凝胶优异力学性能的来源，为设计、制备高性能环境响应型高分子-锂藻土凝胶智能材料提供理论。

本课题基本按计划完成，取得了如下6点主要进展：1. 提出了描述非线性粘弹性的大幅振荡剪切（LAOS）新参数NE、NV，解决了原有LAOS参数在应用于锂藻土水分散液体系时产生的问题，从而建立了适用于该体系的LAOS表征方法，可以更明显地表征出样品结构的差异，发现Laponite分散液凝胶化屈服流动时的非线性粘弹性大小同凝胶网络的完善程度有关，凝胶网络越完善，屈服流动时的非线性粘弹性越强。2. 获得不同NaCl浓度和聚乙二醇（PEG）浓度的锂藻土分散液凝胶化过程的叠合曲线，说明动力学路径具有普适性，采用反应置限聚集（RLCA）模型，从粒子相互作用能出发定量解释了影响因子的变化趋势。3. 通过时间分辨粘弹谱技术获得了聚乙二醇--锂藻土凝胶化过程不同演变时间的动态结构，发现其具有时间自相似性，建立了聚乙二醇--锂藻土凝胶化的动力学时间和动态松弛时间两个尺度之上的三维演变图谱。4. 将LAOS流变学方法用于乳液和微凝胶两种交体体系，表征了乳滴弹性对非线性粘弹性的贡献，又了微凝胶在应变去拥堵（unjamming）状态的非线性粘弹性，为胶体物理的拥堵（jamming）图像补充了重要的实验事实，进一步说明了LAOS方法在研究复杂流体结构变化上的独特优势。6. 将LAOS研究明胶体系，获得了明胶对应变振幅和频率的Pipking指纹图谱，首次区分了周期内（intracycle）和周期间（intercycle）两种应变硬化行为，突出说明了LAOS方法在更全面表征凝胶的非线性力学行为时的必要性。在学术刊物上发表研究论文13篇，其中影响因子大于3的刊物论文5篇。出席国内学术会议6次，国际学术会议7次，其中8次为邀请报告。毕业博士生5人，硕士生6人，其中1人获2012年广东省优秀博士学位论文奖。