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1、智能高分子凝胶的研究现状摘要:智能高分子材料属于智能材料的范畴。智能材料是指对环境可感知、响应，并且具有发现能力的新材料。智能材料的研究与开发正孕育这新一代的技术革新。本文介绍了高分子凝胶的定义、分类、应用以及发展前景。关键词：智能高分子凝胶刺激响应高分子材料智能材料包括金属智能材料、无机智能材料和高分子材料。其中智能高分子材料又称机敏材料、智能聚合物、刺激-响应型聚合物或环境敏感聚合物,是智能材料的一个重要的组成部分。它是通过分子设计和有机合成的方法使有机材料本身具有生物所赋予的高级功能:如自修与自增殖能力,认识与鉴别能力,刺激响
2、应与环境应变能力等。环境刺激因素很多,如温度、pH值、离子、电场、磁场、溶剂、反应物、光(或紫外光)、应力和识别等,对这些刺激产生有效响应的智能聚合物自身性质会随之发生变化。它与普通功能材料的区别在于它具有反馈功能,与仿生和信息密切相关,其先进的设计思想被誉为材料科学史上的一大飞跃,已引起世界各国政府和多种学科科学家的高度重视。1智能高分子凝胶的定义高分子凝胶是指三维高分子网络与溶剂组成的体系，网络交联结构使其不溶解而保持一定的形状，因为凝胶结构中含有亲溶剂性基团，使之可被溶剂溶胀而达到平衡体积。这类高分子凝胶可随环境条件的变化而产
3、生可逆的、非连续性的体积变化。2智能凝胶的体积相变原理根据高分子凝胶溶胀及退溶胀的渗透压公式,渗透压由高分子链与溶剂的相互作用、高分子链的橡胶弹性和高分子凝胶内外离子浓度差构成。当这三者之间达到平衡时,高分子凝胶呈平衡状态。温度、pH值、无机盐的浓度、溶剂的性质对溶胀平衡都有影响,在一定的外界刺激下,凝胶会因为溶液性质的微小变化而引起极大的体积变化,即所谓的凝胶体积相变,这就是智能高分子凝胶对外界刺激作出响应的依据。3智能高分子凝胶的分类从体积相转变现象的发现至今，研究高分子凝胶的环境响应十分活跃，如溶液的组成、温度、pH值、离子强
4、度、光、电场等。刺激响应性高分子凝胶是其结构、物理性质、化学性质可以随外界环境改变而变化的凝胶。当受到环境刺激时这种凝胶就会随之响应,发生突变,呈现相转变行为。这种响应体现了凝胶的智能性。高分子凝胶的刺激响应性包括物理刺激(如热、光、电场、磁场、力场、电子线和x射线)响应性和化学刺激如pH值、化学物质和生物物质)响应性。根据环境响应因素的多少，可将智能高分子凝胶分为单一响应智能凝胶、双重或多重响应智能凝胶。根据响应条件不同，单一响应智能凝胶又可分为温度响应型凝胶、pH响应型凝胶、电场响应型凝胶、光响应型凝胶、磁场响应型凝胶等；双重或
5、多重响应智能凝胶可分为pH、温度响应型凝胶，热、光响应型凝胶，pH、离子强度响应型凝胶等。3.1pH响应型凝胶pH响应型凝胶是利用了电荷数随pH值变化而变化的高分子制备得到的，是目前研究最为广泛的响应性高分子凝胶之一。pH响应型高分子其侧链一般是随pH变化而解离程度发生变化的酸(羧酸、磺酸等)、或碱(铵盐等)，这些基团解离程度的改变，一方面造成凝胶内外离子浓度改变，一方面还破坏凝胶内相关的氢键，使凝胶网络物理交联点减少，造成凝胶网络结构发生变化，从而引起凝胶宏观上的溶胀或去溶胀。KatchMsky等通过交联水溶性聚电解质最早制备了P
6、VA／PAA可溶胀／收缩的pH响应性高分子凝胶，发明了对环境溶液pH和离子强度敏感的凝胶溶液为驱动源的机械装置。ShiroNishi和TadaoKotaka制备了聚环氧乙烷与聚丙烯酸互穿网络响应凝胶，在高pH时溶胀，低pH时收缩，机理如图1所示。3.2温度响应性凝胶温度响应型高分子智能凝胶的特征是高分子在溶剂中的溶解度随温度而变化。温度响应型高分子化学结构的一般特点是，亲水性部分和疏水性部分之间保持适当的平衡，因此具有适度的溶解度。其作用机理是，温度敏感型高分子在水溶液中，高温时脱水化，从溶液中沉析出来。高分子与溶液产生相分离的温度
7、称为下限溶液温度(LCST)。温度低于LEST时，高分子链与水发生水合而溶解于水。温度高于LCST时，高分子链中的疏水性基团之间的结合力增强，同时疏水性基团与水之间的氢键引力减弱，因此高分子链发生脱水化，从溶液中沉淀出来。发现在这一温度附近的溶胀比变化往往可达几倍到几十倍。自Tanaka等发现PNIPA水凝胶具有温度敏感特性以来，对于PNIPA的研究引起了人们极大的兴趣。目前，常见的是将含阴离子的单体和NIPA共聚合成水凝胶。Freltas等用NIPA和甲基丙烯酸钠共聚制成温度响应型凝胶，用于分离不同分子量的化合物，如对聚环氧乙烷(
8、Mw=600，000)的分离效果可达92％。除了使用阴离子单体外，还有研究者使用阳离子单体3一丙烯酰胺丙基三甲基胺(DMAPAA—Q)和NIPA共聚制备温度响应型凝胶，以及使用NIPA、乙烯基苯磺酸钠及甲基丙烯酰基三甲基氯化铵共聚制得
