溫敏性石墨烯納米復(fù)合水凝膠.doc

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1、溫敏性石墨烯納米復(fù)合水凝膠摘要：將氧化石墨烯（GrapheneOxide,GO）添加到以鋰藻土Laponite為交聯(lián)劑，N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）為單體所制備的納米復(fù)合水凝膠（簡稱NC凝膠）中。通過改變GO的含量，研究此類NC凝膠的紅外響應(yīng)性的變化。關(guān)鍵詞：氧化石墨烯；納米復(fù)合NC凝膠；紅外響應(yīng)性1前言1.1水凝膠簡介凝膠是含有大量溶劑的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子[1]。吸收溶劑時會溶脹，排出溶劑時會收縮。因?yàn)槠涫墙宦?lián)結(jié)構(gòu)，故凝膠一般只能溶脹不能收縮。凝膠的交聯(lián)可以為物理交聯(lián)，也可以是化學(xué)交聯(lián)，物理交聯(lián)是通過氫鍵、范德華

2、力等物理相互作用實(shí)現(xiàn)的，而化學(xué)交聯(lián)則是通過分子鏈間形成化學(xué)鍵實(shí)現(xiàn)的。水凝膠就是以水為分散介質(zhì)的凝膠，是一種能吸收大量水分并將其保留在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的軟質(zhì)材料。水凝膠的這種高吸水高保水的性能使其在多種領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。此外，水凝膠的固有特性與許多類型的生物組織非常地相似。因此水凝膠是近年來也是生物醫(yī)用高分子材料研究的熱點(diǎn)之一，具有良好的應(yīng)用前景。1.2智能水凝膠及其應(yīng)用智能型水凝膠是指能夠通過外界的刺激而自身產(chǎn)生敏感響應(yīng)的水凝膠。根據(jù)外界刺激的響應(yīng)情況，我們可以把智能水凝膠分為：溫度響應(yīng)性水凝膠、pH響應(yīng)性水凝膠、光響應(yīng)性水

3、凝膠、壓力響應(yīng)性水凝膠、生物分子響應(yīng)性水凝膠、電場響應(yīng)性水凝膠等[2]。這類凝膠的智能性使其有可能應(yīng)用在化學(xué)傳感器、記憶元件開關(guān)、人造肌肉、化學(xué)存儲器、分子分離體系、調(diào)光材料以及藥物載體釋控等方面。1.3高性能納米復(fù)合水凝膠納米復(fù)合材料（Nanocomposite）的概念最早是由Roy于1984年提出的，它是指兩相或多相的混合物中至少有一相的一維尺度小于100納米量級的復(fù)合材料[3]。2002年，日本Haraguchi[4]等將鋰藻土（Laponite）納米粒子分散在水中，使用N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）作為單體，在La

4、ponite分散液中原位自由基聚合，不添加化學(xué)交聯(lián)劑，得到了聚N-異丙基丙烯酰胺-Laponite納米復(fù)合水凝膠（NanocompositeHydrogel，簡稱NC凝膠）。這種納米復(fù)合水凝膠拉伸強(qiáng)度不僅約為常見水凝膠的10倍，而且斷裂伸長率可以達(dá)到1300%，為常見水凝膠的50倍，韌性高，打結(jié)后拉伸也不易拉斷；透明性優(yōu)異。1.4氧化石墨烯石墨烯是21世紀(jì)國際上研究的熱點(diǎn)，它是由碳原子構(gòu)成的，具有單原子層厚度的二維晶體，碳原子之間以sp2雜化方式互相鍵合形成蜂窩狀晶格網(wǎng)絡(luò)，其基本結(jié)構(gòu)單元是苯六元環(huán)，可看作是一層被剝離的石墨片

5、[5,6]。石墨烯具有許多奇特而優(yōu)異的性能。目前制備石墨烯的方法有很多，其中化學(xué)氧化還原法因?yàn)榈统杀敬笈康奶攸c(diǎn)而在制備石墨烯的方法中最有應(yīng)用價(jià)值[7]。簡單的說，化學(xué)氧化還原法就是先將石墨氧化，片層之間會產(chǎn)生羰基、羥基、環(huán)氧基、羧基等[8,9]，使其層間距拉大，并且具有親水性，可以在水中剝離成單層，然后再通過還原制備得到具有較高規(guī)整度的石墨烯。氧化石墨烯作為化學(xué)轉(zhuǎn)化石墨烯的前體，也同樣在水凝膠納米復(fù)合材料中起到關(guān)鍵的作用，相比于石墨烯，氧化石墨烯因?yàn)楹卸喙倌軋F(tuán)更易與聚合物結(jié)合，且制備更加簡單，成本更加低廉。1.5溫敏性G

6、O復(fù)合NC凝膠溫敏性水凝膠是指具有溫度敏感性的水凝膠，即在某一溫度下發(fā)生相轉(zhuǎn)變，此溫度稱作相轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)實(shí)際溫度高于相轉(zhuǎn)變溫度時，水凝膠會失去其內(nèi)部的水分。人們對溫敏性凝膠的研究始于1956年，Scrapa等人發(fā)現(xiàn)線性的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）水凝膠，在30~40oC之間某一溫度，溶液會發(fā)生相分離，表現(xiàn)出所謂的最低臨界溶液溫度（Lowercriticalsolutiontemperature,LCST）。1978年，Tanaka又根據(jù)發(fā)現(xiàn)的PNIPAm交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠所具有的溫度敏感性，提出了第一個關(guān)于凝膠相轉(zhuǎn)變的

7、熱力學(xué)理論。20世紀(jì)80年代初，日本學(xué)者伊藤昭二等人合成了一系列聚甲基丙烯酰胺類高聚物。此后具有這種溫敏性的高分子凝膠不斷涌現(xiàn)。從此，關(guān)于溫敏性高分子凝膠的研究便成為了高分子領(lǐng)域一個新的研究熱點(diǎn)[10]。我們將合成的氧化石墨烯加入到NC凝膠中，最后得到GO復(fù)合NC凝膠，因?yàn)楹铣赡z的單體中含有溫敏性單體NIPAm，所以得到的復(fù)合水凝膠是溫敏性的，可以紅外光對其進(jìn)行驅(qū)動。2石墨烯納米復(fù)合水凝膠的制備2.1溫敏性GO復(fù)合NC凝膠的研究進(jìn)展目前而言，研究溫敏性水凝膠主要都是研究的是PNIPAm。其結(jié)構(gòu)如下：可以看出其側(cè)鏈上含有親水

8、性的酰胺基和疏水性的異丙基。理論上認(rèn)為，其具有溫敏性的原因就是這兩個基團(tuán)的親水作用與疏水作用的相互平衡，當(dāng)溫度達(dá)到LCST時，平衡遭到破壞，發(fā)生體積相變。當(dāng)溫度低于LCST時，凝膠吸水溶脹，透明，表現(xiàn)出親水性；當(dāng)溫度高于LCST時，凝膠脫水收縮，為乳白色，表現(xiàn)出疏水性。實(shí)驗(yàn)表明，PNIPA