文档介绍：1 智能高分子水凝胶专业年级姓名摘要: 本文对近几年智能高分子水凝胶中的温度敏感性凝胶和高吸水性树脂的制备、性能特征及其用作了简要介绍,并对其发展前景作了展望。关键词: 智能水凝胶;温敏性;高吸水性树脂;保墒缓释肥料材料是推动人类文明和社会进步的物质基础,是现代高新科技发展的三大支柱之一,面向 21 世纪国民经济的高速发展,信息、生命、能源、交通、环境科学、高科技产业和国防建设对新型材料的要求比以往更为迫切。研究与开发各种性能优越的新型材料、发展材料科学与工程科学是一项重要而迫切的战略任务。材料的发展经历着结构材料→功能材料→智能材料→模糊材料的过程[1] 。智能化是指材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识地调节、修饰和修复[2] 。该概念源于 20 世纪 80 年代末, 高木俊宜[3] 教授将信息科学融合于材料的物性和功能,提出了智能材料( Intelligent materials )概念, 指出智能材料是指对环境具有可感知、可响应,并具有功能发现能力的新型材料。此后 R. E. Newnham [4] 教授提出了灵巧材料( Smart materials )概念,也有人称机敏材料。这种材料具有传感和执行功能。 20 世纪 90 年代开始发展的智能材料在包含以往材料的物性和功能性两方面的基础上加入了信息学科的内容, 能模糊地解决人和机器在精确性方面存在的极大差别, 所以比功能材料更优越。智能材料的分类方法有很多种。根据材料的来源, 智能材料包括智能金属材料、智能无机非金属材料以及智能高分子材料。智能高分子材料的品种多, 范围广, 智能凝胶、智能膜、智能纤维和智能粘合剂等均属于智能高分子材料的范畴。由于高分子材料与具有传感、处理和执行功能的生物体有着极其相似的化学结构, 较适合制造智能材料并组成系统, 向生物体功能逼近, 因此其研究和开发尤其受到关注。 2 智能水凝胶作为智能高分子材料的一个主要内容,近 10 多年来, 其研究工作、尤其是与生命科学相关的智能高分子水凝胶的研究工作空前活跃。高分子水凝胶可定义为在水中能溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。智能水凝胶是一类对外界刺激能产生敏感响应的水凝胶。根据对外界刺激的响应情况,智能水凝胶分为:温度响应性水凝胶、 pH 响应性水凝胶、光响应性水凝胶、压力响应性水凝胶、生物分子响应性水凝胶、电场响应性水凝胶和超强吸水性水凝胶( 高吸水性树脂) 等。由于智能水凝胶独特的性能,使其在化学转换器、记忆元件开关、传感器、人造肌肉、化学存贮器、分子分离、活性酶的固定、组织工程和药物控制释放等方面具有很好的应用前景。本文结合本课题组的相关内容和其他研究者的工作就智能高分子水凝胶中的温度敏感性水凝胶和高吸水性树脂的制备及其应用做简要介绍。 1 温度敏感性智能水凝胶 具有温度敏感性的聚 N- 异丙基丙烯酰***类凝胶聚 N- 异丙基丙烯酰***( PNIPAm ) ,其大分子链上同时具有亲水性的酰***基和疏水性的异丙基, 使线型 PNIPAm 分子和网络结构的 PNIPAm 水凝胶在水溶液中呈现出温度敏感特性。在常温下,线型 PNIPAm 溶于水中形成均匀的溶液, 当温度升高至 30~ 35℃时, 溶液发生相分离, 表现出最低临界溶液温度( LCST )。交联的网络状 PNIPAm 可在水中溶胀为水凝胶, 它在室温下溶胀, 而在 33℃左右发生体积相变而收缩。这种由温度敏感性而引起高分子产生的智能性和记忆效应引起人们很大兴趣。自 1984 年 Tanaka 等人[5] 发现 PNIPAm 水凝胶具有温度敏感特性以来, 由于其在药物控制释放、贵金属的富集分离、酶的固定、智能催化剂及渗透膜等方面具有良好的应用前景,所以对其均聚物和共聚物尤其共聚物的制备和研究至今方兴未艾。 PNIPAm 类凝胶可通过与其它单体共聚改变其分子中亲水基团和疏水基团的比例从而改变其 LCST 和溶胀性能。张先正等人[6] 通过丙烯酰***( AM )与 NIPAm 共聚得到快速温度敏感的水凝胶, 这种凝胶在室温下的平衡溶胀比较大。通过增加亲水单体 AM 的含量可提高其 LCST ,当水凝胶在 56℃时剧烈收缩时, 可在几分钟内剧烈失水,约 10 min 后即可达到稳定状态, 这是由于该凝胶高分子网络孔径较传统水凝胶网络的孔径大, 有利于其内部水分子扩散出来, 其缺陷是该凝胶消溶胀后, 3 再次溶胀的速度很慢。刘郁杨等[7]以 NIPAm 和 N- 乙烯基吡咯烷***( NVP ) 为共聚单体, 制得温敏凝胶,结果表明, NVP 在共聚物中的含量对其 LCST 的影响不大,但对其平衡溶胀比和溶胀速率有较大影响,当 NVP 含量为 1 mol% 时,该凝胶表现出最大的平衡溶长比和最高的 LCST 。 Wen-Fu LEE 等