【最新精選】智能高分子凝膠的研究現(xiàn)狀

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1、智能高分子凝膠的研究現(xiàn)狀摘要:智能高分子材料屬于智能材料的范疇。智能材料是指對環(huán)境可感知、響應(yīng)，并且具有發(fā)現(xiàn)能力的新材料。智能材料的研究與開發(fā)正孕育這新一代的技術(shù)革新。本文介紹了高分子凝膠的定義、分類、應(yīng)用以及發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：智能高分子凝膠刺激響應(yīng)高分子材料智能材料包括金屬智能材料、無機智能材料和高分子材料。其中智能高分子材料又稱機敏材料、智能聚合物、刺激-響應(yīng)型聚合物或環(huán)境敏感聚合物,是智能材料的一個重要的組成部分。它是通過分子設(shè)計和有機合成的方法使有機材料本身具有生物所賦予的高級功能:如自

2、修與自增殖能力,認識與鑒別能力,刺激響應(yīng)與環(huán)境應(yīng)變能力等。環(huán)境刺激因素很多,如溫度、pH值、離子、電場、磁場、溶劑、反應(yīng)物、光(或紫外光)、應(yīng)力和識別等,對這些刺激產(chǎn)生有效響應(yīng)的智能聚合物自身性質(zhì)會隨之發(fā)生變化。它與普通功能材料的區(qū)別在于它具有反饋功能,與仿生和信息密切相關(guān),其先進的設(shè)計思想被譽為材料科學史上的一大飛躍,已引起世界各國政府和多種學科科學家的高度重視。1智能高分子凝膠的定義高分子凝膠是指三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系，網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)使其不溶解而保持一定的形狀，因為凝膠結(jié)構(gòu)中含有親溶劑

3、性基團，使之可被溶劑溶脹而達到平衡體積。這類高分子凝膠可隨環(huán)境條件的變化而產(chǎn)生可逆的、非連續(xù)性的體積變化。2智能凝膠的體積相變原理根據(jù)高分子凝膠溶脹及退溶脹的滲透壓公式,滲透壓由高分子鏈與溶劑的相互作用、高分子鏈的橡膠彈性和高分子凝膠內(nèi)外離子濃度差構(gòu)成。當這三者之間達到平衡時,高分子凝膠呈平衡狀態(tài)。溫度、pH值、無機鹽的濃度、溶劑的性質(zhì)對溶脹平衡都有影響,在一定的外界刺激下,凝膠會因為溶液性質(zhì)的微小變化而引起極大的體積變化,即所謂的凝膠體積相變,這就是智能高分子凝膠對外界刺激作出響應(yīng)的依據(jù)。3智

4、能高分子凝膠的分類從體積相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)至今，研究高分子凝膠的環(huán)境響應(yīng)十分活躍，如溶液的組成、溫度、pH值、離子強度、光、電場等。刺激響應(yīng)性高分子凝膠是其結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學性質(zhì)可以隨外界環(huán)境改變而變化的凝膠。當受到環(huán)境刺激時這種凝膠就會隨之響應(yīng),發(fā)生突變,呈現(xiàn)相轉(zhuǎn)變行為。這種響應(yīng)體現(xiàn)了凝膠的智能性。高分子凝膠的刺激響應(yīng)性包括物理刺激(如熱、光、電場、磁場、力場、電子線和x射線)響應(yīng)性和化學刺激如pH值、化學物質(zhì)和生物物質(zhì))響應(yīng)性。根據(jù)環(huán)境響應(yīng)因素的多少，可將智能高分子凝膠分為單一響應(yīng)智能凝膠、

5、雙重或多重響應(yīng)智能凝膠。根據(jù)響應(yīng)條件不同，單一響應(yīng)智能凝膠又可分為溫度響應(yīng)型凝膠、pH響應(yīng)型凝膠、電場響應(yīng)型凝膠、光響應(yīng)型凝膠、磁場響應(yīng)型凝膠等；雙重或多重響應(yīng)智能凝膠可分為pH、溫度響應(yīng)型凝膠，熱、光響應(yīng)型凝膠，pH、離子強度響應(yīng)型凝膠等。3.1pH響應(yīng)型凝膠pH響應(yīng)型凝膠是利用了電荷數(shù)隨pH值變化而變化的高分子制備得到的，是目前研究最為廣泛的響應(yīng)性高分子凝膠之一。pH響應(yīng)型高分子其側(cè)鏈一般是隨pH變化而解離程度發(fā)生變化的酸(羧酸、磺酸等)、或堿(銨鹽等)，這些基團解離程度的改變，一方面造成凝

6、膠內(nèi)外離子濃度改變，一方面還破壞凝膠內(nèi)相關(guān)的氫鍵，使凝膠網(wǎng)絡(luò)物理交聯(lián)點減少，造成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起凝膠宏觀上的溶脹或去溶脹。KatchMsky等通過交聯(lián)水溶性聚電解質(zhì)最早制備了PVA／PAA可溶脹／收縮的pH響應(yīng)性高分子凝膠，發(fā)明了對環(huán)境溶液pH和離子強度敏感的凝膠溶液為驅(qū)動源的機械裝置。ShiroNishi和TadaoKotaka制備了聚環(huán)氧乙烷與聚丙烯酸互穿網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)凝膠，在高pH時溶脹，低pH時收縮，機理如圖1所示。3.2溫度響應(yīng)性凝膠溫度響應(yīng)型高分子智能凝膠的特征是高分子在溶劑

7、中的溶解度隨溫度而變化。溫度響應(yīng)型高分子化學結(jié)構(gòu)的一般特點是，親水性部分和疏水性部分之間保持適當?shù)钠胶?，因此具有適度的溶解度。其作用機理是，溫度敏感型高分子在水溶液中，高溫時脫水化，從溶液中沉析出來。高分子與溶液產(chǎn)生相分離的溫度稱為下限溶液溫度(LCST)。溫度低于LEST時，高分子鏈與水發(fā)生水合而溶解于水。溫度高于LCST時，高分子鏈中的疏水性基團之間的結(jié)合力增強，同時疏水性基團與水之間的氫鍵引力減弱，因此高分子鏈發(fā)生脫水化，從溶液中沉淀出來。發(fā)現(xiàn)在這一溫度附近的溶脹比變化往往可達幾倍到幾十倍

8、。自Tanaka等發(fā)現(xiàn)PNIPA水凝膠具有溫度敏感特性以來，對于PNIPA的研究引起了人們極大的興趣。目前，常見的是將含陰離子的單體和NIPA共聚合成水凝膠。Freltas等用NIPA和甲基丙烯酸鈉共聚制成溫度響應(yīng)型凝膠，用于分離不同分子量的化合物，如對聚環(huán)氧乙烷(Mw=600，000)的分離效果可達92％。除了使用陰離子單體外，還有研究者使用陽離子單體3一丙烯酰胺丙基三甲基胺(DMAPAA—Q)和NIPA共聚制備溫度響應(yīng)型凝膠，以及使用NIPA、乙烯基苯磺酸鈉及甲基丙烯酰基三甲基氯化銨共聚制得