智能水凝胶课件.ppt

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1、智能型水凝胶姓名：张鹏飞概述水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。亲水的小分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶具有优良的理化性质和生物学性质。它除了具有生物粘附、可生物降解和良好的生物相容性外，还具有较高的水渗透性，有一定的强度，表面类似于生物体的软组织，这些特征使水凝胶可作为生物材料。根据水凝胶对外界刺激的响应情况，水凝胶可以分为普通水凝胶和智能水凝胶。普通水凝胶对环境的变化不敏感，即水凝胶的溶胀率不随外界条件的变化而变化。智能水凝胶能感知外界环境的细微的物理化学变化，如pH、温度、压力、电场、磁场、离子强度、紫外光、可见光以

2、及特异化学物质等的变化，并通过体积的溶胀和收缩来响应这些来自外界的刺激。因此也称为环境敏感性水凝胶。智能水凝胶材料一般是天然或合成的高聚物。成为智能水凝胶材料必须具备:高分子主链或侧链上带有大量的亲水基团和有适当的交联网络结构。制备智能水凝胶材料的起始原料可以是单体(水溶或油溶单体)、聚合物(天然或合成聚合物)或者是单体和聚合物的混合物。制备1单体的交联聚合合成水凝胶的单体大致分为中性、酸性、碱性3种,表1列出了部分单体及交联剂。水凝胶可以由一种或多种单体采用电离辐射、紫外照射或化学引发聚合并交联而得。一般来说,在形成水凝胶过程中需要加入少量的交联剂。

3、Nogaoka等在不使用交联剂的情况下通过辐射引发使单体在水溶液中交联合成聚N-异丙基丙烯酰胺(polyNIPAAm)水凝胶,这种方法操作简单,交联度可通过改变单体浓度及辐射条件来控制,无任何添加成分,不会污染产品,可以一步完成产品的制备及消毒。与传统方法相比,合成的凝胶更均匀,更有利于其性质的研究及生产更方便。2接枝共聚法水凝胶的机械强度一般较差,为了改善水凝胶的机械强度,可以把水凝胶接枝到具有一定强度的载体上。在载体表面产生自由基是最为有效的制备接枝水凝胶的技术,单体可以共价地连接到载体上。通常在载体表面产生自由基的方法有电离辐射、紫外线照射、等离

4、子体激化原子或化学催化游离基等，其中电离辐射技术是最常采用的产生载体表面自由基的一种技术。3聚合物交联从聚合物出发制备水凝胶有物理交联和化学交联两种。物理交联通过物理作用力如静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成。化学交联是在聚合物水溶液中添加交联剂,如在PVA水溶液中加入戊二醛可发生醇醛缩合反应从而使PVA交联成网络聚合物水凝胶。从聚合物出发合成水凝胶的最好方法是辐射交联法,许多水溶性聚合物可通过辐射法制备水凝胶，如PVA、polyNIPAAm、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚氧乙烯(PEO)、聚甲基

5、丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等。采用辐射法合成水凝胶无须添加引发剂,产物更纯净。分类这是指能随环境温度变化发生体积突变现象的凝胶。这种凝胶具有一定比例的疏水和亲水基团,温度的变化可影响这些基团的疏水作用以及大分子链间的氢键作用,从而使凝胶结构改变,发生体积变化。例如:在聚N-异丙基丙烯酰胺体系中，-NHCO-为亲水基团，而-CH(CH3)2为疏水基团。1温度响应性水凝胶在外界温度低于临界溶解温度(LCST)时，凝胶网络中高分子链上的亲水基团通过氢键与水分子结合，凝胶吸水溶胀。温度上升时，这种氢键作用减弱，而高分子链中疏水基团间的相互作用加强，凝胶逐渐收缩

6、。温度上升至临界相变温度以上，疏水作用成为主要作用力，高分子链通过疏水作用互相聚集，凝胶发生相变，溶胀率急剧下降。2pH响应性水凝胶这类凝胶中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团,如羧基和氨基。这些基团的解离受外界pH的影响:当外界pH变化时,这些基团的解离程度相应改变,造成内外离子浓度改变;另外,这些基团的解离还会破坏凝胶内相应的氢键,使凝胶网络的交联点减少,造成凝胶网络结构发生变化,引起凝胶溶胀。如在聚环乙烷与聚丙烯酸共聚形成的互穿网络凝胶中,两种聚合物之间的作用力为氢键,pH较高时,羧基基团电离为羧酸根负离子,破坏了氢键,两种聚合物分离,从而使该互

7、穿网络凝胶迅速溶胀。3光响应性凝胶光响应性水凝胶是由热敏性材料中引入对光敏感的基团制成的。光敏材料的响应性机理有三种，一种是热敏性材料中的特殊感光分子，将光能转化为热能，使材料局部温度升高，当凝胶内部温度达到热敏性材料的相转变温度时，则凝胶产生响应。例如:N-异丙基丙烯酰胺和光敏性分子合成凝胶，它可借紫外线而电离，引起凝胶溶胀，在32℃时凝胶发生体积相转变，紫外线遮蔽时凝胶可逆地不连续收缩回复。另一种光响应性的机理是利用光敏分子遇光分解产生的离子化作用来实现响应性。这种凝胶见光后，凝胶内部产生大量离子，使凝胶内外离子浓度差改变，造成凝胶渗透压突变，促使

8、凝胶发生溶胀作出光响应。第三种响应机理是水凝胶材料中引入了发色基团，由于光照，这些发色团的理化