快速响应高度敏感水凝胶的合成及其性能研究.pdf

摘 要 论 文 摘 要 敏感性水凝胶是一类能够对外界环境刺激产生响应，改变自身吸水保水能 力的高分子材料，主要有温度敏感性水凝胶、pH 敏感性水凝胶、电场敏感水凝 胶、磁场敏感水凝胶、光敏感水凝胶等。近年来由于敏感性水凝胶在药物控释、 化学传感器、物料分离等领域的良好应用前景，人们对敏感性水凝胶的快速响 应性及凝胶强度提出了更高的要求。 本文基于实验室自主合成的具有弱电解性的疏水性功能单体4- 乙酰基丙烯 酰乙酸乙酯(AAEA)，分别使其与N,N’－二甲基丙烯酰胺(DMAA)及2-丙烯酰胺 基-2- 甲基丙磺酸(AMPS) 聚合，合成了具有温度、pH 、离子和电场敏感的水凝 胶，并引入致孔剂聚乙二醇(PEG)，提高了水凝胶的响应速率。最后通过互穿双 网 络 技 术 (IPDN), 合 成 了 具 有 超 高 强 度 并 兼 具 响 应 性 的 P(AAEA-co-AMPS)/PDMAA 水凝胶。研究了双网络凝胶结构与强度间的关系。 主要的研究内容及结果如下： 1. 对实验室自制的具有亲水基团以及疏水基团的功能性单体――4- 乙酰基 丙烯酰乙酸乙酯(AAEA)的物理和化学性质进行了分析。其分子量的计算值为 3 181.8 g/mol，密度为1.103 g/cm ，沸点为248.6 ℃，0.01 mol/L 浓度时的电离度 为0.028 ，属于弱电解性单体。AAEA 的核磁共振氢谱中显示，其叔碳上氢原子 容易解离而形成烯醇式结构或脱去而形成AAEA 负离子，这种结构也是AAEA 单体可作为合成多重响应性水凝胶前驱单体的原因。 2. 以AAEA 与N ,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)为原料，利用溶液自由基聚合 制备了 P(AAEA-co-DMAA) 多重响应性凝胶。研究了凝胶的溶胀性能。当 n(AAEA):n(DMAA)小于1 时，凝胶的fick 特征指数n 小于0.5 ，属于fick 扩散 控制过程；当n(AAEA):n(DMAA)大于1 时，凝胶的fick 特征指数n 大于0.5 ， 表现为非fick 溶胀型凝胶。 3. 研究了凝胶的温度、pH、离子敏感性。P(AAEA-co-DMAA)凝胶随温度 的升高而逐渐脱去水分，85 ℃下 n(AAEA):n (DMAA)=3:1 的凝胶保水率只有 60%；同时，凝胶表现出良好的pH 响应性，在3pH7 的区间内，凝胶的含水 量有较大的变化；凝胶对离子浓度的响应在NaCl 浓度为0.1mol/L 附近出现较 I 摘 要 大的突变。加入致孔剂后，凝胶的溶胀速率与响应性均有所提高。 4. 以 AAEA 与 2-丙烯酰胺基-2- 甲基丙磺酸(AMPS)共聚，加入聚乙二醇 (PEG)作为致孔剂，成功制备了多孔快速响应电场敏感性P(AAEA-co-AMPS)水 凝胶。研究了致孔剂的分子量对凝胶响应速率的影响：以PEG6000 为致孔剂的 多孔凝胶在去离子水中30s 即可达到溶胀平衡，在0.1mol/L 的NaCl溶液中40min 即可达到消溶胀平衡，当施加电场作用时，12min 内即可达到消溶胀平衡；研 究了致孔剂加入量对凝胶响应速率的影响：当致孔剂的加入量为 10%时，凝胶 在去离子水中40s 即可达到溶胀平衡，在0.1mol/L 的NaCl 溶液中20min 即可 达到消溶胀平衡，当施加电场作用时，9min 内即可达到消溶胀平衡。 5. 研究了电解液的pH 值、浓度、类型以及电场强度对多孔电场敏感性水 凝胶响应性能的影响。当pH ＝12 时，凝胶 18min 内可达到消溶胀平衡；当电 解液浓度 0.3mol/L 时，凝胶 13min 内可达到消溶胀平衡；多孔凝胶在以NaCl 为电解液时最快达到消溶胀平衡；电场强度的增加会缩短凝胶达到消溶胀平衡 的时间，30V 电压下多孔凝胶18min 即可达到消溶胀平衡。 6. 以AAEA与AMPS共聚形成的凝胶在DMAA溶液中浸泡并再次引发聚合 得到互穿P(AAEA-co-AMPS)/PDMAA双网络水凝胶。研究了互穿双网络凝胶的 增强机理。