高岭石是插层材料的重要主体相，高岭石层的刚性特征使其在插层反应过程中能基本保持不变形，有利于层间有机分子的自组装和分子识别，有机分子在高岭石层间限制性环境中有序排列并具有各向异性。高岭石层与有机分子之间以分子水平相互作用，使复合物具有独特的物理、化学和机械性能。高岭土-有机插层复合物在催化剂、吸附剂、先进陶瓷材料等方面具有广阔的应用前景。插层反应也为纳米材料的研究和制备提供了新的途径。
高岭土-有机插层复合物的发展大体上可划分为3个阶段：1961～1987年为强极性有机小分子插层复合物制备阶段；1988～1997年为多种有机分子制备与表征阶段；1998年至今为应用研究与理论发展阶段。
第一阶段开始于1961年，和田光史把高岭土样品在浓醋酸钾溶液中浸泡或与醋酸钾一起研磨，复合物层间距膨胀到14Å。同年，威斯发现了尿素对高岭石群也起着相同的作用，并且查明高岭石与氨基甲醛、肼之间也有相同作用［9］。1968年，Olejnik［10］制备出了高岭土-二甲基亚砜（Kao-DMSO）插层复合物。初期阶段，研究这些插层物的目的是为了区分高岭石与其他粘土矿物种类。这一阶段，研究进展缓慢，制备的高岭土有机插层复合物的种类较少，表征手段一般为X射线衍射，到1987年，已制备出Kao-Urea、Kao-DMSO、高岭土-甲酰胺（Kao-FA）、高岭土-乙酸钾（Kao-KAc）、高岭土-肼（Kao-HY），埃洛石-甲酰胺（Hal-FA）、埃洛石-乙酸钾（Hal-KAc）、埃洛石-肼（Hal-HY）、高岭土-氧化吡啶（Kao-PNO）等插层复合物［11～12］。该阶段以强极性有机小分子插入高岭土层间形成复合物为特征，偶尔以极性小分子作挟带剂制备出如Kao-PNO等复合物。
第二阶段以Sugahara等［13］于1988年首次报道制备出高岭土-聚合物插层体高岭土-聚丙烯腈（Kao-PAN）为标志，使插层聚合制备高岭土-聚合物纳米复合材料成为现实。从此，许多学者开始注意并研究高岭土-有机插层复合物。此阶段主要以制备和表征为特征，表征方法有X射线衍射（XRD）、红外光谱（IR）、拉曼光谱（Raman）、魔角旋转核磁共振谱（MAS NMR）、热分析（TA）、比表面积测定（BET）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及有机物含量CHN分析等。该阶段制备出许多新的插层复合物，如高岭土-脂肪酸盐（Kao-FatA）［14］、高岭土-聚丙烯酰胺（Kao-PAM）［15］、高岭土-乙二醇（Kao-EG）［16］、高岭土-聚乙二醇（Kao-PEG）［17］等复合物。Frost及他的合作者对高岭土-插层复合物进行了大量研究，特别是用拉曼光谱对插层复合物进行表征并研究有机分子在高岭土层间的排列形式［18～20］。
第三阶段以1998年Komori等［21］确认高岭土-甲醇（Kao-MeOH）为一种通用的预插层体为划分标志。Kao-MeOH的通用性促进了大量新的插层复合物的合成。能直接插层于高岭土层间的有机物仅有极少数强极性有机小分子，其他有机分子的插层是用所谓“置换插层”的方法，即先用强极性有机小分子插层，然后再用其他有机分子置换插在高岭土层间的强极性有机小分子，从而达到插层目的。常用的预插层体，或称为前驱物（体）的有Kao-NMF、Kao-DMSO、高岭土-乙酸铵（Kao-AmAc）等，用这些预插层体可以制备出高岭土-聚丙烯酰胺（Kao-PAAm）［22］、高岭土/1-甲基-2-吡硌烷酮（Kao-NMP）［23］、高岭土/聚丙氨酸（Kao-β-Alanine）［24］等。但是，仍然有许多有机物用上述这些预插层体不能进行置换，而用Kao-ME却能够制备出相应的插层复合物，如高岭土-聚乙烯基吡硌烷酮（Kao-PVP）［25］、高岭土-烷基胺（Kao-CnN）［26］、高岭土-硝基苯胺（Kao-NA）［27］、高岭土-尼龙6（Kao-Nylon6）［28］等。Kao-MeOH的通用性还表现在可作为纳米反应器用于制备纳米金属/高岭土复合物，如纳米Pd/高岭土复合物［29］、纳米Ag/高岭土复合物［30］。该阶段以制备出大量新的高岭土有机插层复合物为基本特征外，理论研究和应用开发也是其显著特点。复合物的反应机理、结构特征及特殊性能研究等均有了较大的进展，分别探讨了插层复合物的结构及稳定性、水在插层中的作用、插层反应的影响因素等。插层及插层-脱嵌技术用于高岭土的表面修饰改性、高岭土剥片、大幅度提高高岭土的比表面积以及反应活性等应用性研究，为今后实现工业化生产建立了理论基础。
高岭土有机插层复合物的研究历史较短，但发展很快。虽然大量的制备与研究开始于第三阶段，仅有不到十年的短暂历程；但到目前为止，已制备出多种插层纳米复合物，其特殊的性能引起许多化学家、材料学家的兴趣，在不久的将来理论和应用研究方面必将有新的发展和突破。
A
AARH
arithmetical average roughness height
算术平均粗糙高度
AASHTO
American Association of State Highway and Transportation Officials
美国州际高速路及运输官方协会
ABS
acrylonitrile-butadiene-styrene
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物
AC
alternating current
交流电
AC
asbestos cement
石棉水泥
ACF
advanced certified final
先期确认
ACI
American Concrete Institute
美国混凝土协会
ACP
asbestos cement pipe
石棉水泥管
AE
acoustic emission
声发射
AET
acoustic emission testing
声发射检测
AFC
approved for construction
批准用于施工
AFD
approved for design
批准用于设计
AFP
approved for planning
批准用于规划布置
AGA
American Gas Association
美国燃气协会
AI
aggressive index
侵蚀性指数
ANSI
American National Standards Institute
美国国家标准协会
API
American Petroleum Institute
美国石油学会
APWA
American Public Works Association
美国公共工程协会
ARV
air release valve
放气阀
ASA
American Shotcrete Association
美国喷射混凝土协会
ASCE
American Society of Civil Engineers
美国土木工程师协会
ASTM
American Society for Testing and Materials
美国材料试验协会
ASTT
Australian Society of Trenchless Tech
nology
澳大利亚非开挖协会
ATM
atmosphere
大气压
AWWA
American Water Works Association
美国自来水工业协会
B
BB
bolted bonnet
螺栓连接的阀盖
BC
bolted cap
螺栓连接的阀帽
BE
beveled end
坡口端
BEP
both ends plain
两端平
BET
both ends thread
两端带螺纹
BOD
biological oxygen demand
生物耗氧量
BOP
bottom of pipe
管底
BP
brick pipe
砖砌管道
BW
butt welded
对焊的
C
CAB
cellulose acetate butyrate
乙酸丁酸纤维素
CAD
computer aided design
计算机辅助设计
CATT
Center for advancement of Trenchless Technologies（CATT）at the University of Waterloo
滑铁卢大学非开挖研究中心
CBS
controlled boring system
控制钻孔系统
CCFRPM
centrifugally cast fiberglass reinforced polymer mortar pipe
离心浇注纤维玻璃增强聚酯水泥管
CCM
cut and cover method
明挖法
CCN
client change notice
用户变更通知
CCP
concrete cylinder pipe
钢筒混凝土管
CCTV
closed-circuit television
闭路电视
CF
certified final
最终确认
CFA
continuous flight auger
长螺旋
CFM
cubic feet per minute
立方英尺/分钟
CFP
close-fit pipe
紧密配合管
CI
cast iron
铸铁
CIGMAT
Center for Innovative Grouting Materials and Technology（CIGMAT）at University of Houston
休斯顿大学新型注浆材料及工艺中心
CIP
cast iron pipe
铸铁管
CIPP
cured-in-place pipe
原位修复管道法，翻转内衬管法
CL
centerline
中心线
CM
compaction method
挤土铺管法
CMOM
Capacity，Management，Operation，and Maintenance
能力，管理，经营，维护
COD
chemical oxygen demand
化学需氧量
COD
continue on drawing
接续图
CP
concrete pipe
混凝土管
CPE
chlorinated polyether
氯化聚醚
CPP
close profile pipe
波纹增强管
CPT
cone penetration test
圆锥静力触探试验
CPVC
chlorinated polyvinyl chloride
氯化聚氯乙烯
CRT
cathode ray tube
阴极射线管
CS
carbon steel
碳素钢
CSAMT
controlled source audio frequency magnetotellurics
可控源音频大地电磁测深法
CSO
combined sewer overflow
混合污水系统的溢流口
CSTT
China Society for Trenchless Technology
中国地质学会非开挖技术专业委员会
CT
computerized tomography
层析成像
CUGB
China University of Geosciences（Beijing）
中国地质大学（北京）
CUIRE
Center for Underground Infrastructure Research and Education at Michigan State University
密歇根州立大学地下设施研究与教育中心
CV
combination valve
组合阀
D
D&R
deformed and reformed
变形再复原法
DAI
data analysis and interpretation
数据分析与解释
DCCA
Directional Crossing Contractors Association
定向穿越承包商协会
DHD
downhole drilling
孔底钻进
DILONG
南京地龙非开挖工程技术有限公司
DIP
ductile iron pipe
球墨铸铁管
DIPRA
Ductile Iron Pipe Research Association
柔性铸铁管研究协会
DMT
dilatometer test
扁铲侧胀试验
DN
nominal diameter
标称直径，管径
DR
dimension ratio
尺度比
DRILLTO
深圳钻通工程机械有限公司
DSP
digital signal processing
数字信号处理
DSSS
design specification summary sheet
设计指标汇总表
DWF
dry weather flow
干旱流量
DWI
dry weather inflow
干旱流入量
DW/TXS
德威土行孙工程机械有限公司
E
ECH
epoxy chloropropane，epichlorohydrin
环氧氯丙烷
ECP
embedded cylinder pipe
埋置式钢筒管
EF
earliest finish
最早完成时间
EFW
electro-fusion welding，electric fusion welding
电熔焊
EL
elevation
标高
ELCB
earth leakage circuit breaker
漏电断路器
EMS
electromagnetic suspension
电磁悬浮
EMT
electromagnetic telemetry
电磁遥测
EPA
U.S.Environmental Protection Agency
美国环保局
EPB
earth pressure balance
土压平衡
EPBM
earth pressure balance machine
土压平衡掘进机
EPDM
ethylene-propylene-diene-monomer
乙烯-丙烯-二烯烃-单体
EPR
ethylene propylene rubber
乙丙橡胶
EPS
earth pressure shield
土压平衡盾构
ER
epoxy resin
环氧树脂
ERF
estimated repair factor
预评估维修比
ERL
estimated remaining life
估计残余寿命
ERW
electric resistance welding
电阻焊
ES
earliest start
最早开始时间
ESP
effective stress path
有效应力路径
ET
eddy current test
涡流探伤
EU
external upset
外加厚
F
F&E
fused and expanded
热熔挤扩法
F&F
fold and formed
折叠变形法
F.W.
field weld
现场焊
FDA
field data acquisition
现场数据采集
FELL
focused electrode leak location technology
聚焦电极泄漏定位技术
FEM
finite element method
有限元法
FF
flat face，full face
全平面，满平面
FGW
fusion gas welding
气熔焊
FIPP
formed-in-place pipe
现场成形管
FLCS
full line chemical stabilization
全线化学稳定法
FLG
flange
法兰
FLGD
flanged
法兰式的
FMF
female face
凹面
FOB
flat on bottom
底平
FOG
fibre optic gyroscope
光纤陀螺仪
FOT
flat on top
顶平
FRM
fiberglass reinforced mortar pipe
玻璃纤维增强水泥管
FRP
fiber glass reinforced pipe
玻璃纤维管
FRPP
fiberglass reinforced polyester pipe
玻璃纤维增强聚酯管
FTF
fitting to fitting
管件直接
G
GBM
guided boring method
导向钻进法
GBR
geotechnical baseline report
岩土基本报告
GIS
geographical information system
地理信息系统
GMAW
gas metal arc welding
金属极惰性气体保护电弧焊
GN
gunite
钢筋骨架喷射混凝土管道修复
GPR
ground penetrating radar
探地雷达
GPS
global positioning system
全球定位系统
GRC
glass reinforced concrete
玻璃增强混凝土
GRI
gas research institute
燃气研究所
GRP
glass reinforced plastic
玻璃增强塑料，玻璃钢
GWI
groundwater infiltration
地下水内渗
H
H.P.
high pressure
高压
HAB
horizontal auger boring
水平螺旋钻进
HAZ
heat affected zone
热影响区
HC
height of cover
覆土深度
HC
hose connection
软管接头
HDB
hydrostatic design basis
静水压设计指标
HDD
horizontal directional drilling
水平定向钻进
HDPE
high density polyethylene
高密度聚乙烯
HEB
horizontal earth boring
土层水平钻孔
HGL
hydraulic gradient line
水力坡度线
HH
handhole
手孔
HIC
hydrogen induced cracking
氢脆
HSE
health，safety and environment
健康，安全与环境
I
I/I，I&I
infiltration，inflow
渗入/流入，渗流量
I/I/E
infiltration/inflow/exfiltration
渗入/流入/外渗
ICG
internal condition grade
内部条件等级
ICRI
the International Concrete Repair Institute
国际混凝土修理协会
ID
inside diameter
内径
IEU
internal-external upset
内外加厚
IF
internal flush
内平式
IGSCC
intergranular stress corrosion cracking
晶界应力腐蚀裂纹
IJS
intermediate jacking station
中继间顶进站
ILR
in-line replacement
原位更换法
IS
inside screw
内螺纹
ISTT
International Society for Trenchless Technology
国际非开挖技术协会
IU
internal upset
内加厚
J
J/CS
joint/crack sealing
接头/裂纹密封
L
L.P.
low pressure
低压
L-CIPP
lateral-cured-in-place pipe
支管翻转内衬管
LCP
lined cylinder pipe
加衬钢筒管
LCP
lining with continuous pipe
连续管内衬法
LDPE
low density polyethylene
低密度聚乙烯
LED
light emitting diode
发光二极管
LEP
large end plain
大端为平的
LET
large end thread
大端带螺纹
LF
latest finish
最迟完成时间
LJF
lap joint flange
活套法兰
LOR
localized repair
局部修复（法）
LOR-CIPP
localized repair-cured-in-place pipe
局部修复-翻转内衬管法
LOR-GR
localized repair-grouting
局部修复-注浆法
LOR-IS
localized repair-internal seal
局部修复-内部密封法
LOR-RR
localized repair-robotic repair
局部修复-机器人法
L-PB
lateral-pipe bursting
支管爆管法
LPG
liquefied petroleum gas
液化石油气
LR
lateral renewal
支管更新（法）
LRI
light reflective index
光反射指数
LS
latest start
最晚开始时间
LSP
lining with segmental pipe
短管内插法，短管内衬法
LSWP
lining with spirally wound pipe
螺旋缠绕管内衬法
L-ThP
lateral-thermoformed pipe
支管热塑管修复法
L-UCL
lateral-underground coating and lining
支管地下喷涂内衬法
M
M.L.
match line
接续线
M.P.
medium pressure
中压
MAOP
maximum allowable operating pressure
最大允许工作压力
maxi-HDD
large-diameter HDD
大型水平定向钻机
MDPE
medium density polyethylene
中密度聚乙烯
MF
male face
凸面
MFL pig
magnetic flux leakage intelligent pig
漏磁智能清管器
MFP
mechanically folded pipe
机械折叠管
MH
manhole
人孔
MI
malleable iron
可锻铸铁
MIC
microbiologically induced corrosion
微生物腐蚀
midi-HDD
medium-diameter HDD
中型水平定向钻机
mini-HDD
small-diameter HDD
小型水平定向钻机
MOP
maximum operating pressure
最大工作压力
MPF
maximum pulling force
最大拖力
MPL
maximum pulling length
最大拖入长度
MSL
modified sliplining
改进内插法
MSL-PL
modified sliplining-panel lining
改进内衬法-模板内衬法
MSL-SW
modified sliplining-spiral wound
改进内衬法-缠绕法
MSTT
Midwest Society for Trenchless Technology
中西部非开挖技术协会
MT
magnetic particle test
磁粉探伤
MT
microtunneling
微型隧道
MTBM
microtunneling boring machine
微型隧道掘进机
MTM
microtunneling method
微型隧道法
MWD
measurement while drilling
随钻测量
N
NACE
National Association of Corrosion Engi
neers
美国腐蚀工程师国家协会
NASSCO
National Association of Sewer Service Company
美国国家下水道服务公司协会
NASTT
North American Society for Trenchless Technology
北美非开挖技术协会
NATM
New Austrian Tunnelling Method
新奥法
NBR
nitrile butadiene rubber
丁腈橡胶
NCP
noncylinder pipe
非圆管道
NDT
non-destructive testing
无损检测
NMR
nuclear magnetic resonance
核磁共振
NPT
American standard taper pipe thread
美国标准锥管螺纹
NRS
non-rising stem
非升杆式（暗杆）
NTP
notice to proceed
开工通知书
O
OC
open-cut
开挖
OD
outside diameter
外径
OET
one end thread
一端带螺纹
OPC
ordinary Portland cement
普通硅酸盐水泥
OPP
open profile pipe
加肋波纹管
OSHA
occupational safety and health act
职业安全与卫生条例
OSL
over-sea mean level
海平面标高
P
PA
polyamide
聚酰胺
PAP
piping arrangement plan
管道布置平面
PB
pipe bursting
爆管
PB
polybutylene
聚丁烯
PB-HY
pipe bursting-hydraulic
液压爆管法
PB-PE
pipe bursting-pneumatic
气动爆管法
PB-PS
pipe bursting-pipe splitting
裂管法
PC
polycarbonate
聚碳酸酯
PCCA
Power and Communication Contractors Association
能源与通讯承包商协会
PCCP
prestressed concrete cylinder pipe
预应力钢筒混凝土管
PCCPL
lined prestressed concrete cylinder pipe
内衬式预应力钢筒混凝土管
PCP
polymer concrete pipe
聚酯混凝土管
PCP
prestressed concrete pipe
预应力混凝土管
PE
pipe eating
吃管法
PE
plain end
平端
PE
polyethylene
聚乙烯
PFA
pulverized fuel ash
粉煤灰
PFD
process flow diagram
工艺流程图
PHPA
partially hydrolyzed polyacrylamide
部分水解聚丙烯酰胺
PID
piping and instrument flow diagram
管道及仪表流程图
PIRC
Pipeline Infrastructure Research Center（PIRC）at Pennsylvania State University
美国宾夕法尼亚州立大学管线设施研究
中心
PJ
pipe jacking
顶管
PL
panel lining
模板内衬
PMA
allowable maximum operating pressure
最大允许工作压力
PMMA
polymethyl methacrylate
聚甲基丙烯酸甲酯
PMT
pressuremeter test
旁压试验
PN
nominal pressure
公称压力
PO
polyolefin
聚烯烃
POS
point of support
支撑点
PP
polypropylene
聚丙烯
PP-B
PP-B
耐冲击共聚聚丙烯
PPI
Plastic Pipe Institute
塑料管学会
PP-R
PP-R
无规共聚聚丙烯
PR
pipe ramming
夯管，夯管法
PRC
Pipeline Research Council
管道研究委员会
PRC
polyester resin concrete
聚酯树脂混凝土
PR-HAB
pipe removal-horizontal auger boring
水平螺旋钻进管道更换法
PR-MT
pipe removal-microtunneling
微型隧道管道更换法
PR-PR
pipe removal-pipe reaming
扩孔式管道更换法
PR-PX
pipe removal-pipe extraction
抽管式管道更换法
PR-T
pipe removal-tunneling
隧道式管道更换法
PS
polystyrene
聚苯乙烯
PSR
point source repair
点状修复法
PT
liquid penetrant test
液体渗透检验
PTFE
polytetrafluoroethylene
聚四氟乙烯
PTMT
pilot tube microtunneling
先导管式微型隧道法
PVC
polyvinyl chloride
聚氯乙烯
PVC-M
modified PVC
改良PVC（改善了PVC的韧度）
PVC-O
molecularly oriented PVC
分子重排PVC
PVC-U
unplasticized polyvinyl chloride
硬聚氯乙烯
PVDF
polyvinylidene fluoride
聚偏二氟乙烯
PVDM
polyvinylidene difluoride membranes
聚偏二乙烯氟化膜
Q
QA/QC
quality assurance/quality control
质量保证/质量控制
R
RC
reinforced concrete
钢筋混凝土
RCP
reinforced concrete pipe
钢筋混凝土管
RDP
reduced diameter pipe
缩径管
regular
正规式
REG
RF
raised face
突面
RFEC/TC
remote field eddy current/transformer coupling
遥测励磁涡流/变压耦合
RII
rainfall induced infiltration
下雨渗流，雨致渗入
RJ
ring joint
环垫接头
ROP
rate of penetrate
机械钻速
RPM
reinforced plastic mortar
增强塑性砂浆
RPMP
reinforced plastic mortar pipe
增强塑性砂浆管
RQD
rock quality designation
岩石质量指标
RR
robotic repair
机器人修复法
RS
rising stem
升杆式（明杆）
RSC
ring stiffness constant
环向刚度常数
RT
radiographic test
射线检验
RTK
real time kinematic
实时动态（定位技术）
RTR
reinforced thermosetting resin
增强热固性树脂
RV
relief valve
溢流阀
S
SBR
styrene-butadiene rubber
苯乙烯-丁二烯橡胶
SCH.No.
schedule number
壁厚系列号
SCS
stress corrosion cracking
应力腐蚀裂纹，应力腐蚀开裂
SDR
standard dimension ratio
标准尺寸比
SEM
scanning electronic microscope
扫描电镜
SEP
small end plain
小端为平的
SESTT
Southeast Society for Trenchless Technology
东南部非开挖技术协会
SET
small end thread
小端带螺纹
SH
shotcrete
喷射混凝土
SL
shrinkage limit
缩限
SL
sliplining
内插法
SMAW
shielded metal arc welding
有保护的金属电弧焊
SMR
sewer manhole renewal
下水道检查井更新（法）
SOL
spray on lining
喷涂内衬
SP
steel pipe
钢管
SPG
structural performance grade
结构性能等级
SPT
standard penetration test
标准贯入试验
SR
spot repair
点状修复
SR
styrene-rubber
苯乙烯橡胶
SRF
smooth raised face
光滑突面
SRPC
sulfate resisting Portland cement
抗硫酸盐普通水泥
SRwWL
steel ribs with wooden lagging
钢架木板支护
SSB
sanitary sewer bypass
生活污水管支管
SSC
sulfide stress cracking
硫化应力裂纹，硫化应力开裂
SSES
sewer system evaluation survey
污水系统评价调查
SSET
sewer scanner and evaluation technology
下水道扫描与评价技术
SSO
sanitary sewer overflow
污水管道溢流
SSPC
Society for Protective Coating
涂层保护协会
SUE
subsurface utility engineering
地下公用设施工程
SV
safety valve
安全阀
SW
socket welded
承插焊的
SWP
spiral wound pipe
螺旋缠绕管
T
TBM
tunnel boring machine
隧道掘进机
TCM
trenchless construction method
非开挖铺管方法
threaded end
螺纹端
TEM
transient electromagnetic method
瞬变电磁法
total float
总时差
THD
threaded
螺纹的
thermoformed pipe
热塑管（法）
TLP
tunnel liner plate
隧道衬砌板
TOB
top of beam
梁顶面
TOP
top of pipe
管顶
TOS
top of support
架顶面
thermoplastic
热塑性塑料
TRB
Transportation Research Board
TE
TF
ThP
TP
运输研究董事会
TRM
trenchless renewal method
非开挖更新方法
TS
thermoset
热固性
TT
trenchless technology
非开挖技术
TTC
Trenchless Technology Center（TTC）at Louisiana Tech University
路易斯安娜大学非开挖技术中心
U
UCL
underground coating and lining
地下喷涂内衬法
UCL-CM
underground coating and lining-cement mortar
地下喷涂内衬法-水泥砂浆法
UCL-EL
underground coating and lining-epoxy lining
地下喷涂内衬法-环氧树脂喷涂法
UCL-GU
underground coating and lining-gunite
地下喷涂内衬法-压力喷浆法
UFD
utility flow diagram
公用工程流程图
UP
unsaturated polyester resin
非饱和聚酯树脂
UPVC
unplasticized polyvinyl chloride pipe
硬聚氯乙烯塑料管
UT
ultrasonic test
超声波探伤
UT
utility tunneling
公用隧道掘进法
UV
ultraviolet
紫外线
V
VCM
vendor coordinative meeting
厂商协调会
VCP
vitrified clay pipe
陶土管
VCT
vitrified clay tile
陶瓷
VCTP
vitrified clay tile pipe
陶瓷管
VOC
volatile organic compound
挥发性化合物
W
WB
welded bonnet
焊接阀盖
WEF
Water Environment Federation
水环境联合会
WNF
welding neck flange
对焊法兰
WOB
weight on bit
钻压
WQS
water quality standard
水质标准
WRC
Water Research Center
水研究中心
WST
weight sounding test
重力探测试验
WT
wall thickness
壁厚
WWTP
wastewater treatment plant
污水处理厂
与传统的水凝胶相比，由聚合物网络在离子液体（ionic liquid, IL）中溶胀而形成的离子凝胶（ionogel）具有高热稳定性、高离子电导率、电化学稳定性和非挥发性等优点，有望取代水凝胶应用于驱动器、传感器、可穿戴电子设备和储能设备等领域。然而，大多数离子凝胶的机械性能较差，往往表现出低断裂强度（<1 MPa）、低韧性（~1000 J m -2）和低模量（<0.1 MPa，远低于高韧性水凝胶（断裂强度~7 MPa，模量~210 MPa和韧性~40000 J m -2）。为了解决上述问题，西安交通大学胡建教授课题组联合北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey教授团队报道了一种简单的一步法，通过在离子液体中无规共聚两种具有不同溶解度的单体，原位产生相分离的弹性和刚性域，从而获得了超坚韧和可拉伸的P(AAm-co-AA)离子凝胶。研究发现，丙烯酰胺和丙烯酸单体在 1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐（EMIES）中的无规共聚，可以产生宏观上均相的共价网络，并具有原位相分离域。其中，富含聚合物的刚性相通过在聚合物链之间形成氢键来增韧离子凝胶，而富含溶剂的弹性相能够保持机械完整以实现大的应变。所获得的离子凝胶表现出多项创纪录的机械性能：超高断裂强度（12.6 MPa）、断裂能（~24 kJ m-2）和杨氏模量（46.5 MPa）。同时，离子凝胶还表现出高度可拉伸性（~600% 应变），并具有良好的自恢复性和出色的形状记忆特性。
此外，这种一步法还适用于其他单体和离子液体，该项研究为以简单的方式从普通单体中获得坚韧的凝胶提供了一种实用的方法。相关工作以题为“Tough and stretchable ionogels by in situ phase separation”，发表在《Nature Materials》上。
原位相分离实现超坚韧和可拉伸的离子凝胶
众所皆知，在高度溶剂化的凝胶网络中，很少形成氢键，因为溶剂会分离聚合物链，从而产生柔软且可拉伸的凝胶。相反，低溶剂化的网络，虽然硬度较高，但是往往表现出脆性。为了获得兼具强度和韧性的离子凝胶，研究人员计划通过形成由难溶性和高可溶性聚合物成分组成的无规共聚物来解决这个问题，从而在同一网络中形成溶剂化程度低的相（氢键合，刚性）和高度溶剂化的相（离子键，弹性），协同增韧离子凝胶。简单来说，即通过一步法无规共聚在离子凝胶中同时产生两个负责拉伸性和刚度的不同域，从而产生超坚韧和可拉伸的离子凝胶。
在该工作中，研究人员使用离子液体 1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐 (EMIES)作为离子液体溶剂，聚丙烯酸 (PAA) 作为高溶解性聚合物，聚丙烯酰胺 (PAAm) 作为难溶性聚合物。通过将丙烯酰胺和丙烯酸单体加入EMIES离子液体中，然后加入交联剂和光引发剂，在紫外光的诱导下共聚，从而获得了共聚物离子凝胶P(AAm-co-AA)（图 1）。同时，为了对比，研究人员还制备了单一聚合物离子凝胶（PAA ionogel 和 PAAm ionogel）。
图 1：三种离子凝胶的网络结构示意图。
研究发现，单一聚合物 PAA、PAAm 离子凝胶和共聚物离子凝胶在光学和机械性能方面表现出明显的差异。在光学上，纯 PAA (x = 0) 离子凝胶是透明的，纯 PAAm (x = 1) 离子凝胶是不透明的，而P(AAm x-co-AA 1-x) 共聚物离子凝胶的透明度可以通过改变 x 来调节：在 x = 0.8125 时，在 550 nm 处的透射率从接近 0% 突然转变为 ~90%（图2a）。
图2. 三种离子凝胶的光学图片、机械演示和 SEM 图像。
在机械性能方面， PAA ionogel 可拉伸，但仍然无法举起 1 kg 的重量。PAAm 离子凝胶虽然非常坚硬但易碎。相比之下，共聚物离子凝胶表现出可拉伸性和刚度，能够轻易举起1公斤的重量（图2b）。
1+1=10!共聚物离子凝胶的机械性能打破多项纪录！
研究发现，在小应变 (≤10%) 下，共聚物离子凝胶的杨氏模量为46.5 ± 1.9 MPa，接近于纯 PAAm 离子凝胶 (64.7 ± 0.5 MPa),远远超过纯 PAA 离子凝胶（0.12 MPa）和共聚物水凝胶（0.17 MPa）的模量（图 3c）。然而，与纯 PAAm 离子凝胶不同，共聚物离子凝胶是可拉伸的（图 3b）。在生长过程中，富含聚合物的相通过破坏氢键而变形以耗散能量，而富含溶剂的相分散载荷，使共聚物离子凝胶表现出创纪录的断裂强度12.6 ± 0.2 MPa ，是目前报道最强的离子凝胶！相比之下，纯 PAA、PAAm 离子凝胶和共聚物水凝胶的断裂强度不超过3.2 MPa。同时，与现有离子凝胶相比，共聚物离子凝胶还表现出高达~600%)的断裂应变和创纪录的断裂能 (23348 ± 719 J m −2) ，远超目前报道的最佳值（ 4700 J m −2）。
图3. 共聚物离子凝胶的机械性能
此外，悬浮在刚性框架上的膜（厚度 = 0.5 mm）进一步证明了共聚物离子凝胶的显着机械性能。当质量为64g的金属球从 2 m 高度落下时，共聚物水凝胶膜并没有破裂，反而球从共聚物离子凝胶膜上反弹。
纯 PAA 离子凝胶保持溶剂化，形成柔软且纯弹性的网络，而不会耗散能量。 相反，纯 PAAm 离子凝胶会发生相分离，形成硬而脆的网络。AA 和 AAm 在共聚物离子凝胶中的组合提供了两全其美的效果， 富含聚合物的相通过氢键耗散能量，而交联则保留了整个网络，从而赋予其非常高的刚度、韧性和可拉伸性。值得注意的是，尽管由大部分液体组成（~66 wt%），共聚物离子凝胶实现了约 24000 J m -2 的高断裂能和 12.6 MPa 的超高断裂强度，以及高达46.5 MPa的杨氏模量，优于大多数现有的坚韧凝胶、生物组织和天然橡胶。
两种相域的不同玻璃化转变温度赋予共聚物离子凝胶多功能性
此外，超坚韧的共聚物离子凝胶还表现出良好的自恢复性、出色的自愈性和出色的形状记忆性能（图 4和视频3）。
图4. 共聚物离子凝胶的自我恢复、自我修复和形状记忆特性。
共聚物离子凝胶的多功能行为与共聚物离子凝胶的独特特性有关，它具有两个玻璃化转变温度 (Tg)。富含溶剂的区域的 Tg1 为 -42.6 °C，而富含聚合物的区域的 Tg2 为 48.2 °C。高于 Tg2，离子凝胶变成橡胶状，为聚合物链的弹性恢复提供驱动力。因此，在高于 Tg2 的温度下可以观察到形状记忆行为和自愈特性。类似地，在机械变形后，可以通过调节温度来恢复共聚物离子凝胶的形态。
此外，所报道的合成方法不仅限于上述材料，还可以应用于各种聚合物和离子液体的组合，以制备具有定制特性的离子凝胶，这表明其具有广泛的适用性。
参考文献：
1. Wang, M., Zhang, P., S hamsi, M. et al. Tough and stretchable ionogels by in situ phase separation. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01195-4
2. Cha, G.D., Kim, DH. Toughness and elasticity from phase separation. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01214-4
作者简介
胡建，教授，博导。2006年毕业于浙江大学化工系获得学士学位，2008年毕业于浙江大学化工系高分子化工专业获得硕士学位，随后获得日本文部省奖学金，留学北海道大学生物系，并于2012年获得博士学位。之后在北海道大学化学系从事了三年的博士后工作。2016年4月到西安交通大学航天航空学院全职工作，并入选学校的“青年拔尖人才支持计划”A类（教授）。
目前的研究领域是智能材料、高分子复合材料、软物质力学，研究兴趣主要集中在软物质材料的结构设计和性能分析，研究成果相继发表在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Letters、Macromolecules等期刊上。
Michael Dickey教授，现为北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程教授。他于1999年佐治亚理工学院获得化学工程学士学位，2003年和2006年分别获得德州大学奥斯汀分校化学工程的硕士和博士学位。自2006开始，他在哈佛大学化学系进行为期三年的博士后工作，随后进入北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程学院进行工作。
Michael Dickey教授团队主要研究工作涉及聚合物薄膜、微流体、软材料、纳米电子学、光伏以及微观和纳米加工的跨学科问题。工作主要是通过简单、廉价和可扩展的方式来构建功能设备，包括可拉伸电子设备、高效太阳能电池、仿生系统、能量收集基板等。在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表论文360余篇，被引次数高达19000余次，H因子为65.
Michael Dickey教授获得很多荣誉和表彰，其中包括ASEE Southeastern Section New Faculty Research Award （2013），University Faculty Scholar （2013），Outstanding Teacher Award - Member of the Academy of Outstanding Teachers at NC State University （2012），Sigma Xi Faculty Award （2011），National Science Foundation CAREER Award（2010）。
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来源：高分子科学前沿
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