一种溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法

本发明属于凝胶领域，具体涉及一种溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法。

背景技术：

1、凝胶是一种由大分子聚合物形成的三维网络结构，它的具有孔隙结构和高度可逆的可调节性，使得它在吸附、分离、催化、传感等领域有着广泛的应用。凝胶的溶胀行为是凝胶科学中一个非常重要的研究方向，它是指凝胶在接触某种外界因素(比如溶剂、温度、ph值等)时吸收外界物质，从而导致凝胶体积的增加。凝胶的溶胀行为既受凝胶分子本身的特性影响，也受到溶质或溶剂分子的特性影响。比如，凝胶结构的交联密度、聚合物链长等因素，都会影响凝胶的吸水能力和溶胀程度。与此同时，溶质或溶剂的浓度、电荷、形状等特性也会影响凝胶的吸附能力和溶胀行为。

2、聚n-异丙基丙烯酰胺(pnipam)水凝胶，具有独特的温度敏感性，即在温度变化的作用下，能快速从溶胀状态转变为溶胶状态，这种热敏性基于pnipam水凝胶分子中丙烯酰胺单体的特殊结构，同时具有羟基和氨基的特征，当温度低于临界溶解温度(lcst)时，pnipam水凝胶处于溶胶状态，水分子能够渗入网络结构中；当温度高于lcst时，凝胶会快速收缩，形成油胶相，产生较大的体积变化。有文献(polymer gels and networks 1998,5,585-589)报道了pnipam凝胶在水中的体积在35℃左右变化很大。

3、对于固体样品的体积测量，是一个体积稳定不变的过程，常采用的是浮力法测量，iso 2781:2018为用于橡胶密度和体积测定的国际标准。但对于平衡溶胀凝胶而言，由于部分有机溶剂(如dmf、dmso)在常压空气中会吸收水，不仅会因为有机溶剂和水混合密度发生变化，而且影响凝胶的溶胀行为，从而影响平衡溶胀凝胶的体积测量。有文献(scienceadvance 2021,7,eabe3245)报道了基于浮力的分析聚合物体积分数的方法，设计和制造了3d打印密度套件。但研究的是水作为溶胀溶剂，并没有考虑到其他有机溶剂作为溶剂时，在常压空气中不稳定对凝胶溶胀行为的影响。

技术实现思路

1、基于iso 1183-1:2019和iso 2781:2018。针对现有技术的不足，提供了一种溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法。

2、为了实现本发明目的，本发明提供了一种溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法。包括：两个双层夹套烧杯、比重瓶或沥青瓶、两个不同量程和精确度的分析天平、恒温循环装置、溶胀凝胶的溶剂、水、惰性液体、待测凝胶样品。再按所需的温度下，测量得到的对应个组分的质量和体积，进而可以得到待测凝胶样品的实际体积。

3、优选地，两个双层夹套烧杯，区别在于其中一个双层夹套烧杯是含有密封盖的，实现内部的液体环境是封闭的，溶剂不与外界环境空气直接接触。保证溶胀凝胶的溶剂和待测凝胶样品不受空气，湿度等环境因素影响。

4、优选地，比重瓶或沥青瓶是能精确测定固体粉末、液体和微粒密度的玻璃器皿，有带毛细管的塞子。使用前需在所测的温度下进行标定。得到v0(t)。

5、优选地，一个分析天平最大量程1100g，精度0.001g，放置有双层夹套烧杯内为水浴，且中装有已知质量m0的比重瓶或沥青瓶及装有1/2容积的惰性液体，待温度恒定，进行读数去皮，用于测量待测凝胶样品(d)平衡溶胀时在惰性液体(c)保护下平衡状态的质量。另一个分析天平最大量程120g，精度0.0001g。精确测量比重瓶或沥青瓶及内含的惰性液体质量和和瓶内待测凝胶样品的质量。

6、进一步地，两个双层夹套烧杯通过硅胶管连接并连通恒温循环装置来实现恒温。溶胀凝胶的溶剂在常温常压，敞开条件下会受空气中氧气、水汽等因素影响从而导致溶剂的密度发生未知变化。惰性液体是与待测凝胶样品和溶胀凝胶的溶剂均不相容的液体。其密度为ρc(t)。

7、进一步地，待测凝胶样品，在双层夹套烧杯中，在温度恒定下，已经达到溶胀平衡。

8、进一步地，从双层夹套烧杯中取出待测凝胶样品后，使用无尘纸快速而充分吸干样品表面多余的溶剂后，放入比重瓶或沥青瓶中，待分析天平读数稳定后得到凝胶质量m(t)。

9、进一步地，得到凝胶质量后，用已经预热到该温度下的惰性液体将比重瓶或沥青瓶充满，并且达到平衡。

10、进一步地，加入已预热的惰性液体充满比重瓶或沥青瓶后，取出，用无尘纸充分擦拭瓶身，然后在精确度0.0001g的分析天平上称重，得到m2。

11、进一步地，待测凝胶样品的体积可由下列式子计算得到：

12、

13、表示为在温度t下，所标定的比重瓶或沥青瓶的容积与排出惰性液体体积之差，即为待测凝胶样品的体积。

14、与现有技术相比，本发明至少具有如下优点与效果：

15、1.区别于现有的固体样品体积测量及水凝胶体积测量方法，考虑到了凝胶在平衡溶胀过程中溶剂会在常压下吸收水汽、氧气等从而溶剂性质不稳定的情况，进而影响到凝胶的溶胀行为。

16、2.针对于凝胶在平衡溶胀过程中，溶剂在常压下溶剂性质不稳定，是非平衡态过程这一现象，本发明基于浮力法测量凝胶体积，保证了在良溶剂中，对应温度下，凝胶和溶剂与空气隔绝，处于稳定且封闭的体系中。得到凝胶在该溶剂中平衡溶胀的实际凝胶体积。

17、3.对于不同的溶剂和温度，能获得对应条件下平衡溶胀凝胶的实际体积，为研究凝胶的溶胀行为及平衡溶胀程度的温度依赖性提供指导。

技术特征：

1.一种溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，所述方法采用的装置包括：第一双层夹套烧杯(1)、第二双层夹套烧杯(2)、比重瓶或沥青瓶(3)、第一分析天平(a)、第二分析天平(b)和恒温循环装置(c)；所述第二双层夹套烧杯(2)与恒温循环装置(c)、第一双层夹套烧杯(1)顺次连接，所述第一双层夹套烧杯(1)再与第二双层夹套烧杯(2)连接；所述第一双层夹套烧杯(1)内部设置有溶胀凝胶的溶剂(a)和待测凝胶样品(d)；所述第二双层夹套烧杯(2)内设置有比重瓶或沥青瓶(3)；所述比重瓶或沥青瓶(3)内部装有惰性液体(c)，所述比重瓶或沥青瓶(3)外第二双层夹套烧杯(2)内填充有水(b)；所述第二双层夹套烧杯(2)放置于第一分析天平(a)上；再按所在温度下，测量得到的对应个组分的质量和体积，进而得到待测凝胶样品的实际体积。

2.根据权利要求1所述溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，第一双层夹套烧杯(1)区别于第二双层夹套烧杯(2)是含有密封盖的，实现(2)内部的液体环境是封闭的，溶剂不与外界环境空气直接接触；保证(a)溶胀凝胶的溶剂和(d)待测凝胶样品不受空气，湿度等环境因素影响。

3.根据权利要求1所述溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，所述比重瓶或沥青瓶(3)是能精确测定固体粉末、液体和微粒密度的玻璃器皿，有带毛细管的塞子；使用前需在所测的温度下进行标定；得到v0(t)。

4.根据权利要求1所述溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，第一分析天平(a)最大量程1100g，精度0.001g，放置有第二双层夹套烧杯内为水浴，第二双层夹套烧杯中装有已知质量m0的比重瓶或沥青瓶及装有1/2容积的惰性液体(c)，待温度恒定，第一分析天平(a)进行读数去皮，用于测量待测凝胶样品(d)平衡溶胀时在惰性液体(c)保护下平衡状态的质量；第二分析天平(b)最大量程120g，精度0.0001g；精确测量比重瓶或沥青瓶及(3)内含的惰性液体(c)质量和和瓶内待测凝胶样品(d)的质量。

5.根据权利要求1所述溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，第一双层夹套烧杯(1)和第二双层夹套烧杯(2)通过硅胶管连接并连通(c)恒温循环装置来实现第一双层夹套烧杯(1)和第二双层夹套烧杯(2)恒温；溶胀凝胶(a)的溶剂在常温常压，敞开条件下会受空气中氧气、水汽等因素影响从而导致溶剂的密度发生未知变化；惰性液体(c)是与待测凝胶样品(d)和溶胀凝胶(a)的溶剂均不相容的液体；其密度为ρc(t)。

6.根据权利要求1所述溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，待测凝胶样品(d)，在第一双层夹套烧杯(1)中，在温度恒定下，已经达到溶胀平衡。

7.根据权利要求1所述溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，从第一双层夹套烧杯(1)中取出待测凝胶样品(d)后，使用无尘纸快速而充分吸干样品表面多余的溶胀凝胶的溶剂(a)后，放入比重瓶或沥青瓶(3)中，待第一分析天平(a)读数稳定后得到凝胶质量m(t)。

8.根据权利要求1所述溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，得到凝胶质量后，用已经预热到该温度下的(c)惰性液体将比重瓶或沥青瓶(3)充满，并且达到平衡。

9.根据权利要求1所述溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，加入已预热的惰性液体(c)充满比重瓶或沥青瓶(3)后，取出比重瓶或沥青瓶(3)，用无尘纸充分地擦拭瓶身，然后在第二分析天平(b)上称重，得到m2。

10.根据权利要求1–9任一项所述溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法，其特征在于，待测凝胶样品(d)的体积可由下列式子计算得到，

技术总结
一种溶剂在常压空气中不稳定的凝胶平衡溶胀体积测量方法。该方法为：第二双层夹套烧杯与恒温循环装置、第一双层夹套烧杯顺次连接；第一双层夹套烧杯内部设置有溶胀凝胶的溶剂和待测凝胶样品；第二双层夹套烧杯内设置有比重瓶或沥青瓶；比重瓶或沥青瓶内部装有惰性液体，比重瓶或沥青瓶外第二双层夹套烧杯内填充有水；第二双层夹套烧杯放置于第一分析天平上；再按所在温度下，测量得到的对应个组分的质量和体积，进而得到待测凝胶样品的实际体积。本发明基于ISO 1183‑1:2019和ISO 2781:2018，对于不同的溶剂和温度，能获得对应条件下平衡溶胀凝胶的实际体积，为研究凝胶的溶胀行为及平衡溶胀程度的温度依赖性提供指导。

技术研发人员：孙尉翔,邹展涛,王涛,童真
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15