吸附性微凝胶引起的胶体分散液的凝胶化转变

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本文以大的聚苯乙烯胶体颗粒(PS)和小的苯乙烯,N-异丙基丙烯酰胺共聚核壳微凝胶的混合分散液为研究对象,主要借助流变以及超小角中子散射(USANS)等手段研究了体系的凝胶化过程,利用Baxter粘附硬球模型对中子散射实验数据进行拟合,分析了体系凝胶化过程的机理,并且通过核壳微凝胶形变能力实现了胶体粒子之间作用力以及凝胶材料力学性质的调控。本论文主要分为以下三部分内容。  论文首先以PS微球和PNIPAM微凝胶的混合分散液为研究对象,通过流变实验研究了混合体系的在低体积分数(ΦMS≤0.15)下的液-固-液转变过程,确定凝胶化转变的边界曲线,然后利用超小角中子散射手段研究了边界样品内部的结构信息,并且通过Baxter粘附硬球单组分模型对上述散射数据进行拟合,提取胶体粒子之间的等效相互作用势。PNIPAM微凝胶的桥联作用等效于在PS微球之间引入了一个短程相互吸引力,该作用力使得体系发生spinodal相分离,相分离进行到一定程度体系发生动力学冻结的现象。  论文第二部分继续研究了PS微球和PNIPAM微凝胶的混合体系在中等体积分数下的凝胶化过程(0.15<ΦMS≤0.35)。首先通过流变实验研究了微凝胶浓度对混合分散液力学性能的影响,以此为基础,确定了在上述体积分数范围内体系在(ΦMS,ΦMG)平面的状态图,此后利用超小角中子散射手段研究了体系凝胶化边界附近样品的内部结构信息,并且通过Baxter粘附硬球的单组份模型分析了上述散射信息,实验数据表明,在0.15<ΦMS≤0.35范围内,体系凝胶化转变的机理为逾渗转变。  论文第三部分讨论了微凝胶的形变能力对体系凝胶化过程的影响。上述体系中的PNIPAM微凝胶被三种核壳微凝胶代替:C(0)-S(137)、C(55)-S(85)、C(97)-S(64)。首先通过动态光散射(DLS)、光学显微镜研究了三种微凝胶分别对PS分散液微观聚集行为的影响,其次通过扫描电子显微镜(SEM)研究了三种微凝胶在PS微球表面的吸附形貌,进一步利用流变手段分别研究了三种微凝胶对PS微球分散液凝胶化过程以及凝胶材料力学性质的影响,以此为基础确定了各自的状态图。实验数据表明通过微凝胶的形变能力可以有效调控微球之间相互吸引力的强弱以及凝胶材料的力学性质:微凝胶的形变能力越强,引起微球聚集的能力越强,因此在PS微球之间引入的等效相互吸引力越强,形成的凝胶的力学性能也越高。
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