一种快速响应和高力学性能水凝胶的制备方法，包括下列步骤： （１）将单体、物理交联剂锂皂石分散于水中，氮气保护下搅拌３０－１２０分钟至透明，单体质量百分比浓度为３－１５％，物理交联剂的质量为单体质量的３－２０％； （２）加入化学交联的纳米级微凝胶分散液，维持氮气气氛并搅拌１０－３０分钟，微凝胶分散液的质量为单体质量的１－４倍； （３）在０－５℃下和氮气保护下加入引发剂水溶液，搅拌１０－３０分钟，引发剂的加入量为单体质量的０．５－３％； （４）注射催化剂，于１０－２５℃下进行原位自由基聚合反应１５－５０小时，催化剂的加入量为单体质量的０．５－４％； （５）所得产物经浸泡换水，得到具有快速响应和高力学性能的水凝胶。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属水凝胶的制备方法，特别是涉及。
技术介绍
凝胶是一种由液体和高分子网络所组成的，能够自我维持稳定的，以范德华力、氢键 作用力和化学键力连接而成，具有三维网络结构的类固、类液的物质。由于液体被封闭在 高分子网络中，失去了流动性，因此凝胶能像固体一样显示出一定的形状。根据凝胶网络中所含液体不同可分为水凝胶和有机凝胶。水凝胶是一种介于液^和固 体之间的能显著地溶胀于水并保持大量水分而又不能溶解于水的具有亲水性的交联聚合 物，可容纳高分子本身重量的数倍乃至数百倍的水。作为自然界中普遍存在的 一种物质形 态，生物机体的许多部分(如海参和人体的血管、眼球等器官)都是由水凝胶构成的。根据凝胶大小形状的不同可以分为宏观凝胶和微观凝胶。微凝胶是一种5nm-5pm的 聚合物微粒或微球的凝胶，可在水或有机溶剂中充分溶胀而不溶解，并呈现宏观上的可溶 性。根据凝胶对外界刺激的响应情况可以分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶。传统的 水凝胶对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感，而环境敏感的水凝胶是指自身能感知 外界环境(如温度、pH、光、电和压力等)的微小变化或刺激，并能产生相应的物理结构 和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶，其突出特点是在对环境的响应过程中的溶胀 行为有显著的变化。温度敏感性水凝胶是剌激响应性水凝胶的 -种。所谓温度敏感性水凝胶是指当温度升高到某一值上时，水凝胶发生从溶胀的软的透明 状态到消溶胀的不透明状态的变化，在这一温度附近的溶胀比(所吸水的量与干凝胶质量 的比)变化往往可达几倍到几十倍，此温度即为体积相转变温度(VPTT)。发生这种体积 相转变的原因是由于交联网络的亲水和疏水平衡受温度变化而变化引起的。定性上來看， 水凝胶的溶胀过程是水分子向凝胶内部扩散与凝胶侧链上亲水基团形成氢键的过程，当温 度升高时，氢键振动能增加，破坏氢键的束缚，使之断裂，大量的结合水从高分子骨架上 脱离出來，.水凝胶体积下降。反之，温度降低，氢键作用力增强，水和高分子结合紧密， 水凝胶体积增加。 '以聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为例，其VPTT在33'C左右。这种相转变特性是亲 水性的酰胺基-NHCO-与疏水性的异丙基-CH(CH3)-缔合作用共同作用的结果。当外界温度低于VPTT时，凝胶网络中亲水的酰胺基团通过氢键与水分子结合，导致水凝胶吸水溶胀; 当外界温度高于VPTT时，氢键作用减弱，异丙基的疏水性起主导作用，这种强的疏水作 用使PNIAM链段聚集，此时水凝胶发生相转变，其溶胀率突然急剧下降，导致水凝胶塌 陷。若在水凝胶骨架中引入亲水基团，则提高了整个网络的亲水和疏水比，其与水分子形 成的氢键数目增加，需要更多能量才能破坏这些氢键，因此，水凝胶发生相转变的温度升 高，水凝胶的VPTT也相应提高。温度敏感性水凝胶的响应速率是评价其性能的最重要参数之一"一般情况下都要求水 凝胶具有快速的响应速率。这种快速温度响应性水凝胶可广泛用于药物控制释放、酶的固 定化、化学发动机设计、医疗诊断、化学反应控制、记忆元件丌关、传感器和力化学转换 器。然而此类温度敏感性水凝胶多是以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺等含双烯烃的化合物为交 联剂，在自由基聚合过程中通过化学交联剂与单体混合共聚形成三维网络结构，所制备的 水凝胶响应速率慢、机械性能差、易碎、不易于加工处理和应用。此外，若水凝胶仅具有 快速响应性而不具有一定力学性能，或仅具有一定力学性能而不具有快速响应性，均无法 满足实际应用，两者缺一不可。因此，既具有一定的快速响应性能又具有.定的力学性能 的水凝胶是未来的研究发展方向之一。在提高水凝胶响应速率上，通过乳液聚合方法制备微米或纳米级微凝胶是一重要途 径。Pelton等(Colloids Surf.， 1986, 20: 247, Macromolecules,2004, 37: 2544)和唐小真(Polymer Inter., 2005,54:83)等在微凝胶的制备和表征上做了大量的研究。微凝胶具有快 速响应性的原因是因为Tanaka等(J. Chem. Phys., 1984,81: 6379; Macromolecules, 1984,17:2641)发现水凝胶溶胀或收縮达到平衡所需的时间与水凝胶的线性尺寸成正比， 即水凝胶尺寸越小，达到平衡所需要的时间就越短。而微凝胶显然具有相当小的尺寸(5nm lpm),因此其响应速率极快(<ls)。以上微凝胶的制备要么采用乳液聚合，但乳化剂除去困难，对粒子表面造成污染；要 么采用无皂乳液聚合，但不使用乳化剂，粒子由于没有足够的电荷稳定使得最终胶粒尺寸 较大。本专利技术使用的微凝胶是在无任何乳化剂条件下，采用单体滴加工艺--一-单体和交联 剂水溶液滴加入引发剂水溶液制备而得，所得到的微凝胶的水动力学直径(40-300nm)均 远小于普遍使用的滴加工艺--——引发剂水溶液注射入单体和交联剂水溶液。在提高水凝胶力学性能上，Hamguchi等(Macromolecules, 2002,35:10162; Macromol. Chem. Phys.,2005,206:1530)在凝胶的制备过程中，在不添加任何化学交联剂的情况下，用 无机粘土 (clay)代替交联剂通过在粘土水溶液中进行原位聚合得到一种具有快消溶胀速 /PNIPAM水凝胶。在这种凝胶中，剥离粘土片层(以氢键、离子 键或配位键与高分子链作用)扮演着交联剂的角色，所得的水凝胶断裂伸长率达1000%， 弹性恢复率达98%，机械强度大幅度提高，拉伸模量和拉伸强度几乎和粘土含量成正比， 随粘土含量增加，断裂伸长稍有下降。同时这种结构的水凝胶中分子链段运动灵活，使得 其还具有较快的响应速率。但研究发现，当粘土含量较低时(<3wt%)，虽然消溶胀速率加快，水凝胶的强度却大 大降低。如何在低交联剂用量下又提高水凝胶的力学性能是目前研究的难点之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，该方法制备工艺 简单、便于操作、易于可控，制备的凝胶具有快速响应和高力学性能，具有较广的应用范 围。本专利技术的快速响应和高力学性能水凝胶的制备方法，包括下列歩骤(1) 将单体、物理交联剂分散于水中，氮气保护下搅拌30-120分钟直至透明，单体质量 百分比浓度为3-15%，物理交联剂的质量为单体质量的3-20%;(2) 加入化学交联的纳米级微凝胶分散液，维持氮气气氛并搅拌10-30分钟，微凝胶分散 液的质量为单体质量的1-4倍；(3) 在0-5'C下和氮气保护下加入引发剂水溶液，搅拌10-30分钟，引发剂的加入量为单体 质量的0.5-3%;(4) 注射催化剂，于10-25。C下进行原位自tid基聚合反应15-50小时，催化剂的加入量为单 体质量的0.5-4%;(5) 所得产物经浸泡换水，得具有快速响应和高力学性能的水凝胶。 所述的单体是丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺或二甲基丙烯酰胺中的一种； 所述的物理交联剂为锂皂石，可均匀分散在水中形成透明溶液，用静态和动态光散射、小角中子散射、电镜测试表明水溶液中的物理交联剂为碟状片层结构，其厚度为l-2nm，直径为20-30nm，化学结构通式为Na,，是一种三八面体蒙脱石； 所述歩骤(2)中的化学交联剂是N，N'-亚甲本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种快速响应和高力学性能水凝胶的制备方法，包括下列步骤：（１）将单体、物理交联剂锂皂石分散于水中，氮气保护下搅拌３０－１２０分钟至透明，单体质量百分比浓度为３－１５％，物理交联剂的质量为单体质量的３－２０％；（２）加入化学交联的纳米级微凝胶分散液，维持氮气气氛并搅拌１０－３０分钟，微凝胶分散液的质量为单体质量的１－４倍；（３）在０－５℃下和氮气保护下加入引发剂水溶液，搅拌１０－３０分钟，引发剂的加入量为单体质量的０．５－３％；（４）注射催化剂，于１０－２５℃下进行原位自由基聚合反应１５－５０小时，催化剂的加入量为单体质量的０．５－４％；（５）所得产物经浸泡换水，得到具有快速响应和高力学性能的水凝胶。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张青松，查刘生，马敬红，梁伯润，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：31
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