摘要: 水凝胶是由高分子的三维网络结构与水组成的多元体系,是自然界中普遍存在的一种物质形态。智能水凝胶是对外界环境(如温度、pH值、离子强度、光和特异化学物质等)细微变化而做出响应的一类水凝胶。当水凝胶所处的环境刺激因素，如温度、PH 值、离子强... 展开 水凝胶是由高分子的三维网络结构与水组成的多元体系,是自然界中普遍存在的一种物质形态。智能水凝胶是对外界环境(如温度、pH值、离子强度、光和特异化学物质等)细微变化而做出响应的一类水凝胶。当水凝胶所处的环境刺激因素，如温度、PH 值、离子强度、电场、介质、光、应力、磁场等发生变化时，水凝胶的形状、力学、光学、渗透速率、识别性能随之发生敏锐响应，即突跃性变化，并随着刺激因素可逆性变化，其对外界的响应一般表现为凝胶体积的突变，呈现体积相转变行为。 具有温度响应性的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）类水凝胶由于相变温度在32℃左右，接近人体的生理温度，因而研究最为深入。但自身存在的宽相变温度、低稳定性、交联密度不均一和较大的流体力学直径等缺点，限制了其进一步应用的领域，因此各种各样的物理和化学改性，以及寻求新的合成方法已成为目前研究的热点。 本论文着重研究温敏性PNIPAM类水凝胶的LCST，通过丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸分别与N-异丙基丙烯酰胺共聚，以自由基聚合方法制备P(AM-co-NIPAM)、P(AA-co-NIPAM)、P(AMPS-co-NIPAM)水凝胶，系统地研究了共聚物成份组成（内因）、溶胀介质（外因）对水凝胶LCST的影响，并利用AA和AMPS的pH值敏感性合成了具有温度和pH 双重敏感性能的水凝胶，对其pH 响应性能进行了研究；同时对水凝胶的结构进行了分析。取得了以下主要研究成果： （ 1）采用溶液自由基引发聚合方法制备了具有较好温度敏感性能的P(AM-co-NIPAM)水凝胶，通过AM的加入增加了水凝胶的吸水溶胀性能，且使凝胶的LCST 向高温度方向移动。比较了P(AM-co-NIPAM)水凝胶在水溶液中和不同pH值的缓冲溶液中的溶胀性能。结果表明，随着AM 摩尔比从0 到15mol%，水凝胶的溶胀率增大，而温度敏感响应性降低；由于NIPAM和AM 中酰胺基团的抗酸、抗碱性能的原因，所制备的凝胶在pH 缓冲液中溶胀率稳定，不随pH值的改变而改变。研究了水凝胶在不同浓度（0.1M、0.2M、0.3M、0.4M、0.5M） NaCl 溶液中以及相同浓度的NaCl、CaCl2、AlCl3 溶液中对水凝胶的温度敏感性能，结果表明，随着溶胀介质中离子强度的增大，水凝胶的溶胀度降低，LCST向低温度方向移动。在20℃和50℃去离子水中对水凝胶进行交替刺激，凝胶具有较好的重现性，随AM的增多，温度敏感幅度减弱。 （2）采用溶液自由基引发聚合方法制备了具有较好温度和pH 双重敏感性能的P(AA-co-NIPAM)水凝胶，通过AA的加入增加了水凝胶的吸水溶胀性能，且使凝胶的LCST 向高温度方向移动。比较了P(AA-co-NIPAM)水凝胶在水溶液中和具有不同pH值的缓冲溶液中的溶胀性能。结果表明，随着AA 摩尔比含量从0到20mol%，水凝胶的溶胀率增大，而温度敏感响应性降低；由于AA 中羧基的存在，使制备的凝胶具有pH 敏感性，溶胀度随pH值的改变而改变。研究了水凝胶在不同浓度（0.1M、0.2M、0.3M、0.4M、0.5M）NaCl 溶液中以及相同浓度的NaCl、CaCl2、AlCl3 溶液中对水凝胶的温度敏感性能，结果表明，随着溶胀介质中离子强度的增大，水凝胶的溶胀度降低，LCST 向低温度方向移动。在20℃和50℃去离子水中对水凝胶进行交替刺激，凝胶具有较好的重现性，随AA的增多，温度敏感幅度减弱。在pH值为1.2和7.8的缓冲溶液中对水凝胶进行交替刺激，凝胶具有较好的重复性，且随AA 含量的增多，pH 敏感程度增大。 （3）采用溶液自由基引发聚合方法制备了具有较好温度和pH 双重敏感性能的P(AMPS-co-NIPAM)水凝胶，通过AMPS的加入增加了水凝胶的吸水溶胀性能，且使凝胶的LCST 向高温度方向移动。比较了P(AMPS-co-NIPAM)水凝胶在水溶液中和不同pH值的缓冲溶液中的溶胀性能。结果表明，随着AMPS 摩尔比含量从0 到7.5mol%，水凝胶的溶胀率增大，而温度敏感响应性降低；由于AMPS中磺酸基的存在，使制备的凝胶具有pH 敏感性，溶胀度随pH值的改变而改变。 研究了水凝胶在不同浓度（0.1M、0.2M、0.3M、0.4M、0.5M）NaCl 溶液中以及相同浓度的NaCl、CaCl2、AlCl3 溶液中对水凝胶的温度敏感性能，结果表明，随着溶胀介质中离子强度的增大，水凝胶的溶胀度降低，LCST 向低温度方向移动。在20℃和50℃去离子水中对水凝胶进行交替刺激，凝胶具有较好的重现性，随AMPS的增多，温度敏感幅度减弱。在pH值为1.2和7.8的缓冲溶液中对水凝胶进行交替刺激，凝胶具有较好的重复性，且随AMPS 含量的增多，pH 敏感程度增大。 （4）通过对P(AM-co-NIPAM)、P(AA-co-NIPAM)及P(AMPS-co-NIPAM)三种智能水凝胶的研究对比，我们得出，AM、AA和AMPS的加入都能够有效提高水凝胶的溶胀率，但由于三种单体本身的亲水能力的差别，对水凝胶溶胀性能的提高有所区别，AM 较小，AMPS 较大，水凝胶溶胀倍率越高，其温度敏感性能越差；由于AMPS的强亲水性作用，添加相同摩尔比例的单体，AMPS 对水凝胶的LCST 影响较大，AM 影响较小；AM 中酰胺基团对酸碱不敏感，具有抗酸、抗碱性，由于AA和AMPS 中-COOH和-SO3H的原因，且-SO3H 比-COOH与水结合能形成更多的氢键，使P(AA-co-NIPAM)和P(AMPS-co-NIPAM)水凝胶具有pH 敏感性能，而AA pH 敏感性能更强；三种智能水凝胶LCST 都随溶胀介质中离子强度的增大向低温方向移动，溶胀性能越好的水凝胶溶胀介质中离子强度的影响越小。 收起