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《水凝膠的合成、性質(zhì)及應(yīng)用》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、第16卷第5期大學(xué)化學(xué)2001年10月知識(shí)介紹水凝膠的合成、性質(zhì)及應(yīng)用翟茂林哈鴻飛(北京大學(xué)技術(shù)物理系北京100871)摘要本文介紹了水凝膠的制備方法、性質(zhì)、影響其性質(zhì)的主要因素及其在日用、工農(nóng)業(yè)和醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用。水凝膠可定義為在水中能夠溶脹并保持大量水分而又不能溶解的交聯(lián)聚合物。親水的小分子能夠在水凝膠中擴(kuò)散。水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。水凝膠具有良好的生物相容性,自20世紀(jì)40年代以來(lái),有關(guān)水凝膠的合成、理化性質(zhì)以及在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用研究十分[1]活躍。水凝膠有各種分類(lèi)方法,根據(jù)水凝膠網(wǎng)絡(luò)鍵合的不同,可分為物理凝膠和化學(xué)凝膠。物理凝膠是通
2、過(guò)物理作用力如靜電作用、氫鍵、鏈的纏繞等形成的,這種凝膠是非永久性的,通過(guò)加熱凝膠圖1水凝膠網(wǎng)絡(luò)示意圖可轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤?所以也被稱為假凝膠或熱可逆凝a、b表示內(nèi)部4功能和3功能鏈聯(lián)結(jié)點(diǎn)膠。許多天然高分子在常溫下呈穩(wěn)定的凝膠態(tài),[2]如k型角叉菜膠、瓊脂等;在合成聚合物中,聚[3]乙烯醇(PVA)是一典型的例子,經(jīng)過(guò)冰凍融化處理,可得到在60以下穩(wěn)定的水凝膠?；瘜W(xué)凝膠是由化學(xué)鍵交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物,是永久性的,又稱為真凝膠。根據(jù)水凝膠大小形狀的不同,有宏觀凝膠與微觀凝膠(微球)之分,根據(jù)形狀的不同宏觀凝膠又可分為柱狀、多孔海綿狀、纖維狀、膜狀、球狀等,目前制備的
3、微球有微米級(jí)及納米級(jí)之分。根據(jù)水凝膠對(duì)外界刺激的響應(yīng)情況可分為傳統(tǒng)的水凝膠和環(huán)境敏感的水凝膠兩大類(lèi)。傳[4,5]統(tǒng)的水凝膠對(duì)環(huán)境的變化如溫度或pH等的變化不敏感,而環(huán)境敏感的水凝膠是指自身能感知外界環(huán)境(如溫度、pH、光、電、壓力等)微小的變化或刺激,并能產(chǎn)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)變化甚至突變的一類(lèi)高分子凝膠。此類(lèi)凝膠的突出特點(diǎn)是在對(duì)環(huán)境的響應(yīng)過(guò)程中其溶脹行為有顯著的變化,利用這種刺激響應(yīng)特性可將其用做傳感器、控釋開(kāi)關(guān)等,這是1985年以來(lái)研究者最感興趣的課題之一。根據(jù)合成材料的不同,水凝膠又分為合成高分子水凝膠和天然高分子水凝膠。天然高分子由于具有更好的生物相容
4、性、對(duì)環(huán)境的敏感性以及豐富的來(lái)源、低廉的價(jià)格,因而正在引起22越來(lái)越多學(xué)者的重視。但是天然高分子材料穩(wěn)定性較差,易降解,近幾年不少學(xué)者開(kāi)始了天然[6,7]高分子與合成高分子共混合成水凝膠的研究工作,這將是今后的一大重要課題。此外,人們對(duì)具有以下性質(zhì)的水凝膠特別感興趣:(1)能夠在體內(nèi)環(huán)境被分解的水凝膠,如[8][9]在體內(nèi)的弱堿性條件下可被融蝕的水凝膠,能夠被酶分解的水凝膠;(2)能以離子交換形[10][11]式釋放蛋白質(zhì)的水凝膠;(3)具有記憶的水凝膠等。1水凝膠的制備1.1單體聚合并交聯(lián)合成水凝膠的單體很多,大致分為中性、酸性、堿性3種,表1列出了部分單
5、體及交聯(lián)劑。表1水凝膠制備中常用的單體和交聯(lián)劑中性單體酸性或陰離子型堿性或陽(yáng)離子型交聯(lián)劑甲基丙烯酸羥烷基酯丙烯酸衍生物甲基丙烯酸胺乙酯衍生物二甲基丙烯酸乙二醇酯及衍生物丙烯酰胺衍生物巴豆酸乙烯基吡啶N,N亞甲基雙丙烯酰胺2,4戊二烯醇1苯乙烯磺酸鈉N乙烯基吡咯烷酮丙烯酸酯衍生物水凝膠可以由一種或多種單體采用電離輻射、紫外照射或化學(xué)引發(fā)聚合并交聯(lián)而得。一[12][13]般來(lái)說(shuō),在形成水凝膠過(guò)程中需要加入少量的交聯(lián)劑。Nogaoka及本文作者等在不使用交聯(lián)劑的情況下通過(guò)輻射引發(fā)使單體在水溶液中交聯(lián)合成聚N異丙基丙烯酰胺(polyNIPAAm)水凝膠,這種方法操
6、作簡(jiǎn)單,交聯(lián)度可通過(guò)改變單體濃度及輻射條件來(lái)控制,無(wú)任何添加成分,不會(huì)污染產(chǎn)品,可以一步完成產(chǎn)品的制備及消毒。與傳統(tǒng)方法相比,合成的凝膠更均勻,更有利于其性質(zhì)的研究及生產(chǎn)更方便。此外,為了特定的應(yīng)用,可以使用不同種類(lèi)的單體以使水凝膠具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)。1.2聚合物交聯(lián)從聚合物出發(fā)制備水凝膠有物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)兩種。物理交聯(lián)通過(guò)物理作用力如靜電作用、離子相互作用、氫鍵、鏈的纏繞等形成?；瘜W(xué)交聯(lián)是在聚合物水溶液中添加交聯(lián)劑,如在PVA水溶液中加入戊二醛可發(fā)生醇醛縮合反應(yīng)從而使PVA交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)聚合物水凝膠。從聚合物出發(fā)合成水凝膠的最好方法是輻射交聯(lián)法,所謂輻射交聯(lián)是指
7、輻照聚合物使主鏈線性分[14]子之間通過(guò)化學(xué)鍵相連接。許多水溶性聚合物可通過(guò)輻射法制備水凝膠,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)、聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)等。采用輻射法合成水凝膠無(wú)須添加引發(fā)劑,產(chǎn)物更純凈。1.3載體的接枝共聚水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度一般較差,為了改善水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度,可以把水凝膠接枝到具有一定強(qiáng)度的載體上。在載體表面產(chǎn)生自由基是最為有效的制備接枝水凝膠的技術(shù),單體可以共價(jià)地連接到載體上。通常在載體表面
