velikost textu

Smart hybrid gels

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Smart hybrid gels
Název v češtině:
Inteligentní hybridní gely
Typ:
Disertační práce
Autor:
Beata Katarzyna Strachota, Ph.D.
Školitel:
RNDr. Libor Matějka, D.Sc. (Tech.), DSc.
Oponenti:
RNDr. Pavel Matějíček, Ph.D.
doc. RNDr. Ivan Krakovský, CSc.
Id práce:
116912
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
Program studia:
Makromolekulární chemie (P1405)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
19. 9. 2017
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
Abstrakt Tato práce je věnována vývoji mechanicky ztužených termoresponzivních hydrogelů, schopných rychlého a rozsáhlého objemového fázového přechodu vyvolaného změnou teploty. Poly(N-izopropylakrylamid)ové (PNIPA) hydrogely sesíťované pomocí nano-destiček jílu (Laponite), jež jsou známé svými mimořádnými mechanickými vlastnostmi, byly syntetizovány radikálovou polymerací monomeru (NIPA) v přítomnosti exfoliovaných nano-destiček jílu. V této práci byla prokázána zásadní role použitých redoxních iniciátorů v procesu vzniku fyzikální sítě PNIPA / jíl, a také byly popsány jednotlivé dílčí procesy vystupující v průběhu polymerizace a síťování. Korelace časově závislé konverze monomeru (NIPA) a pozorovaných etap tvorby struktury umožnila navrhnout obecný mechanismus vzniku hybridních gelů PNIPA / jíl. Velká pozornost byla věnována zkoumání vztahů tvorba-struktura-vlastnosti. Znalost těchto vztahů umožňuje cílené ovlivňování vývoje struktury, a tedy i konečných materiálových vlastností gelů. Další důležitou částí této práce bylo studium mechanických vlastností hydrogelů PNIPA / jíl a parametrů které je určují. Získané poznatky o dominantních faktorech určujících strukturu těchto gelů ukázaly, že významným nástrojem pro optimalizaci a modifikaci mechanických vlastností v širokém rozsahu jsou změny poměru a koncentrace redoxních ko-iniciátorů. Pro matematický popis mechanických vlastností hydrogelů PNIPA / jíl se ukázala coby optimální kombinace teorie kaučukové elasticity s modelem mechanických vlastností kompozitů. Je to důsledkem skutečnosti, že jíl současně působí jako síťovací činidlo i jako tuhé nanočásticové plnivo. Za účelem vývoje robustních hydrogelů s rychlou odezvou na teplotu byly syntetizovány a zkoumány superporézní PNIPA/jílové kryogely. Tyto kryogely byly získány zmražením polymerizující reakční směsi NIPA ve vodní disperzí jílu. Byly charakterizovány procesy, kterými se řídí tvorba kryogelů, a sice kryo-strukturace reakční směsi (růst krystalů ledu) a polymerace v nezmrzlé kapalné fázi při nízkých teplotách. Poměr jejich rychlostí určuje konečnou strukturu gelu, jeho morfologii, mechanické a botnací vlastnosti. Výsledkem zmíněných experimentů je popis obecného mechanismu tvorby superporézních PNIPA / jílových kryogelů. Byla podrobně zkoumána a optimalizována pokročilá dvoustupňová kryo-polymerace použitá k získání superporézních hydrogelů PNIPA/jíl, která spočívala v počáteční polymeraci při T = 15 °C, následované chlazením v určitém stupni vývoje struktury a pokračující polymerací při -20 °C. Tvorba struktury, jakož i mechanické a botnací vlastnosti kryogelů byly řízeny v širokém rozsahu podmínkami zmražení, jako je načasování začátku mražení po předchozí polymeraci při T = 15 °C, nebo použitá rychlost chlazení. V rámci výzkumu teplotně citlivých materiálů s rychlou odezvou byly v této práci připraveny a charaktreizovány také chemicky sesíťované vysoce porézní PNIPA kryogely. Tyto hydrogely byly vyztuženy nanočásticemi siliky, a to buďto vytvořenými in-situ z tetramethoxysilanu (pomocí sol-gel procesu), anebo přidanými v hotové podobě jako komerční monodisperzní koloidní silika (Ludox). V případě in-situ-siliky silné mezifázové interakce plnivo-polymer mechanicky vyztužují stěny pórů v gelech a zároveň brání jejich kolapsu při odbotnání. Tato stabilizace pórů má zásadní význam pro rychlou a vratnou reakci (odbotnání/nabotnání) na změnu teploty, a také umožňuje velmi rychlé nabotnání úplně vysušených (sklovitých) gelů.
Abstract v angličtině:
Abstract This Thesis is dedicated to the development of mechanically reinforced thermoresponsive hydrogels, able of fast and extensive temperature-induced volume transition. Poly(N-isopropylacrylamide)- (PNIPA-) based hydrogels crosslinked with Laponite clay nano-platelets, which are known for their extraordinary mechanical properties, were synthesized by free radical polymerization of the NIPA monomer in the presence of exfoliated clay nanoplatelets. In this work, the crucial role of the employed redox initiators in the formation of the physical PNIPA/clay network was established, and the particular processes taking place during the polymerization and network structure formation were described. The correlation of the time-dependent NIPA monomer conversion and of the observed structure-formation stages made possible to propose a general mechanism of the PNIPA/clay hybrid gel formation. Generally, a considerable attention was paid to the investigation of the formation-structure-property relationships. This knowledge makes it possible to control the structure evolution and hence the final material properties of the gels. An important part of this work is dedicated to the study of mechanical properties of the PNIPA/clay nanocomposite hydrogels and of the parameters which control them. The gained knowledge of the dominant factors determining the gel structure suggested to use the redox co- initiators ratio and concentration as the important tools to optimize and fine-tune the mechanical properties in a broad range. The clay content also played an significant role. To describe the mechanical properties of PNIPA/clay hydrogels mathematically, a combination of the theory of rubber elasticity with the model of mechanical properties of composites was found to be optimal. This is a consequence of the fact, that the incorporated clay serves both as a crosslinker and as a rigid nanofiller phase. In order to develop robust hydrogels with a fast rate of temperature-responsiveness, superporous PNIPA/clay cryogels were synthesized and investigated. These cryogels were prepared via freezing polymerization of NIPA in an aqueous clay dispersion. The processes governing the cryogel formation were characterized, namely the cryo-structuration of the reaction mixture (ice crystals growth), and the polymerization in the non-frozen liquid phase at cryo- temperatures. Their relative rates determine the final gel structure, morphology, mechanical and swelling properties. The general mechanism of formation of the superporous PNIPA/clay cryogels was described. The advanced two-step freezing polymerization used to obtain the superporous PNIPA/clay hydrogels, which involved initial polymerization at T=15 °C, followed by cooling at a particular stage of structure evolution and cryopolymerization at -20 °C, was investigated in detail and optimized. The structure formation, as well as mechanical and swelling properties of the cryogels were controlled in a wide extent by the conditions of freezing, such as the timing of the start of freezing after initial polymerization at T = 15 °C, or the rate of cooling. As a part of this work, also chemically crosslinked highly porous PNIPA cryogels were prepared and studied as fast temperature-responsive materials. These hydrogels were reinforced by silica nanoparticles, either formed in-situ from tetramethoxysilane (via sol-gel process), or added as a monodisperse commercial colloid (Ludox). In case of the in-situ-silica, the strong interfacial filler-polymer interactions reinforce the pore walls of the gels and prevent their collapse during deswelling. This stabilization of the pores is crucial for fast and reversible deswelling/reswelling response to temperature, and also makes possible ultra-fast reswelling of completely dried (glassy) gels.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Beata Katarzyna Strachota, Ph.D. 13.69 MB
Stáhnout Příloha k práci Beata Katarzyna Strachota, Ph.D. 20.05 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Beata Katarzyna Strachota, Ph.D. 107 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Beata Katarzyna Strachota, Ph.D. 91 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Beata Katarzyna Strachota, Ph.D. 4.94 MB
Stáhnout Posudek oponenta RNDr. Pavel Matějíček, Ph.D. 149 kB
Stáhnout Posudek oponenta doc. RNDr. Ivan Krakovský, CSc. 98 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 728 kB