文档介绍：华侨大学
硕士学位论文
快速响应高强度敏感水凝胶的合成及其性能研究
姓名:黄铂扬
申请学位级别:硕士
专业:高分子化学与物理
指导教师:林松柏
20100601
摘要
论文摘要
敏感性水凝胶是一类能够对外界环境刺激产生响应,改变自身吸水保水能
力的高分子材料,主要有温度敏感性水凝胶、pH 敏感性水凝胶、电场敏感水凝
胶、磁场敏感水凝胶、光敏感水凝胶等。近年来由于敏感性水凝胶在药物控释、
化学传感器、物料分离等领域的良好应用前景,人们对敏感性水凝胶的快速响
应性及凝胶强度提出了更高的要求。
本文基于实验室自主合成的具有弱电解性的疏水性功能单体 4-乙酰基丙烯
酰乙酸乙酯(AAEA),分别使其与 N,N’-二甲基丙烯酰胺(DMAA)及 2-丙烯酰胺
基-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合,合成了具有温度、pH、离子和电场敏感的水凝
胶,并引入致孔剂聚乙二醇(PEG),提高了水凝胶的响应速率。最后通过互穿双
网络技术(IPDN), 合成了具有超高强度并兼具响应性的
P(AAEA-co-AMPS)/PDMAA 水凝胶。研究了双网络凝胶结构与强度间的关系。
主要的研究内容及结果如下:
1. 对实验室自制的具有亲水基团以及疏水基团的功能性单体――4-乙酰基
丙烯酰乙酸乙酯(AAEA)的物理和化学性质进行了分析。其分子量的计算值为
g/mol,密度为 g/cm3,沸点为 ℃, mol/L 浓度时的电离度
为 ,属于弱电解性单体。AAEA 的核磁共振氢谱中显示,其叔碳上氢原子
容易解离而形成烯醇式结构或脱去而形成 AAEA 负离子,这种结构也是 AAEA
单体可作为合成多重响应性水凝胶前驱单体的原因。
2. 以 AAEA 与 N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)为原料,利用溶液自由基聚合
制备了 P(AAEA-co-DMAA)多重响应性凝胶。研究了凝胶的溶胀性能。当
n(AAEA):n(DMAA)小于 1 时,凝胶的 fick 特征指数 n 小于 ,属于 fick 扩散
控制过程;当 n(AAEA):n(DMAA)大于 1 时,凝胶的 fick 特征指数 n 大于 ,
表现为非 fick 溶胀型凝胶。
3. 研究了凝胶的温度、pH、离子敏感性。P(AAEA-co-DMAA)凝胶随温度
的升高而逐渐脱去水分,85℃下 n(AAEA):n(DMAA)=3:1 的凝胶保水率只有
60%;同时,凝胶表现出良好的 pH 响应性,在 3<pH<7 的区间内,凝胶的含水
量有较大的变化;凝胶对离子浓度的响应在 NaCl浓度为 附近出现较
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摘要
大的突变。加入致孔剂后,凝胶的溶胀速率与响应性均有所提高。
4. 以 AAEA 与 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚,加入聚乙二醇
(PEG)作为致孔剂,成功制备了多孔快速响应电场敏感性 P(AAEA-co-AMPS)水
凝胶。研究了致孔剂的分子量对凝胶响应速率的影响:以 PEG6000 为致孔剂的
多孔凝胶在去离子水中30s即可达到溶胀平衡,在
即可达到消溶胀平衡,当施加电场作用时,12min 内即可达到消溶胀平衡;研
究了致孔剂加入量对凝胶响应速率的影响:当致孔剂的加入量为 10%时,凝胶
在去离子水中 40s 即可达到溶胀平衡,在 的 NaCl 溶液中 20min 即可
达到消溶胀平衡,当施加电场作用时,9min 内即可达到消溶胀平衡。
5. 研究了电解液的 pH 值、浓度、类型以及电场强度对多孔电场敏感性水
凝胶响应性能的影响。当 pH=12 时,凝胶 18min 内可达到消溶胀平衡;当电
解液浓度 时,凝胶 13min 内可达到消溶胀平衡;多孔凝胶在以 NaCl
为电解液时最快达到消溶胀平衡;电场强度的增加会缩短凝胶达到消溶胀平衡
的时间,30V 电压下多孔凝胶 18min 即可达到消溶胀平衡。
6. 以AAEA与AMPS共聚形成的凝胶在DMAA溶液中浸泡并再次引发聚合
得到互穿P(AAEA-co-AMPS)/PDMAA双网络水凝胶。研究了互穿双网络凝胶的
增强机理。凝胶的抗压缩强度随第一网络内部AAEA用量的增加而先增大后减
小;随第二网络含量的增大而增大;第一网络交联剂用量的增大,凝胶抗压强度
增大,第二网络交联剂用量增大,抗压强度反而减小;同时,水含量的增大会降
低凝胶的抗压强度。
7. 研究了互穿双网络(IPDN)水凝胶的电场响应性能。当第一网络内单体
n(AMPS):n(A