环境敏感智能凝胶的制备实验

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1、环境敏感智能凝胶的制备实验1.实验目的了解智能高分子凝胶的定义、分类以及高分子凝胶材料的特点；掌握智能高分子凝胶的制备方法及响应机理。2.实验原理2.1高分子凝胶的定义高分子凝胶是高分子链之间以化学键或物理作用力形成的三维网络结构，吸收一定量的溶剂而使高分子网络溶胀，但不溶解。因此，高分子凝胶是一种交联结构的溶胀体，是由溶剂和高分子网络所组成的复合体系。2.2高分子凝胶的特点由于高分子凝胶是由液体与高分子网络所组成的，液体与高分子网络的亲和性，使得液体被高分子网络封闭在里面，失去了流动性。因此，凝胶能像固体一样显示出一定的形状。智能高分子凝胶对于外界环

2、境微小的物理或化学刺激，其自身性质会发生明显的改变，能因环境的变化（如温度、pH、光、电场、磁场、压力等）而发生体积相转变，产生响应性。智能高分子凝胶的结构、物理性质、化学性质可以随外界环境的改变而变化。当受到环境刺激时，凝胶会随之做出响应，发生突变，呈现相转变行为。如温度、pH值、离子、电场、介质、光、应力、磁场等发生改变时，凝胶的形状、相、力学、光学、渗透速率、识别性能等随之发生敏锐响应，发生突跃性变化，并且随着刺激因素的可逆性变化，凝胶的突跃性变化具有可逆性。高分子凝胶的这种响应行为体现了其智能性特征。2.3高分子凝胶的种类通常根据高分子凝胶所受

3、的刺激信号的不同将其分为不同的类型，如温度敏感性高分子凝胶、pH敏感性高分子凝胶、电场敏感性高分子凝胶、磁场敏感性高分子凝胶、压敏性高分子凝胶以及光敏感性高分子凝胶等。以上所述的智能高分子凝胶其环境响应因素只有一个，故称单一响应性智能高分子凝胶。随着智能高分子凝胶研究工作的深入，具有双（多）重响应功能的7“杂交型”高分子凝胶已成为这一前沿领域的重要发展方向。双（多）重响应智能高分子凝胶根据响应环境因素的不同及多少可分为温度－pH值敏感型凝胶，热－光敏感型凝胶，磁性－热敏型凝胶，pH－离子刺激响应型凝胶，pH－光敏感型凝胶等，且种类在不断地扩大。2.4高

4、分子凝胶的制备高分子凝胶的三维网络一般通过物理交联或化学交联方法形成，不同类型的智能高分子凝胶其制备方法有所不同。2.4.1化学制备方法化学交联是高分子凝胶单体本身或通过交联反应形成共价键交联点的过程。采用化学合成的方法制备高分子凝胶是目前主要的凝胶制备方法。根据高分子凝胶交联网络形成的顺序不同，通常分为聚合同时交联和先形成高分子链后再交联两种方法。（1）聚合同时交联①热聚合和引发剂引发聚合。采用溶液自由基共聚合法是制备凝胶最常用的方法。常用的引发方式有热引发和引发剂引发；常用的单体有丙烯酸或甲基丙烯酸及它们的酯类、丙烯酰胺、苯乙烯、醋酸乙烯等；常用的

5、交联剂有亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯等。随单体和交联剂组合不同，所得凝胶的组成和性质有很大差异。②光聚合和辐照聚合。使用与乙烯基单体和交联剂（二乙烯基化合物）的吸收波长（180nm～220nm）相当的光进行照射，产生单体自由基，引发交联聚合反应。若加过氧化物，偶氮化合物等光敏剂，则用与这些光敏剂的吸收波长（300nm～360nm）相当的光照射，让光敏剂分解产生自由基引发单体和交联剂进行交联聚合反应，此法称光敏聚合。也可用比可见光或紫外光能量更大的γ射线、电子束等放射线辐射来引发乙烯基单体和二乙烯基化合物的交联共聚反应。③等离子体引

6、发聚合和电解聚合。在通过辉光放电而引起的低温等离子体中，由电离产生的电子、离子、自由基、激发分子、光子等反应活性中心有着极宽的能量分布。特别是等离子电子具有极高的能量，能用于引发乙烯基单体聚合。亦可用电解法使乙烯基单体聚合。电解乙烯基单体，使其直接变成自由基、7阴离子或者阳离子，也有添加盐类活化的做法，乙烯基单体或添加盐的氧化还原电位是一种指标。由于电解只与聚合的引发反应有关，因此通过加双乙烯基化合物等交联剂同样可以制备凝胶。（2）先形成高分子链后再交联①化学反应法。无论合成高分子还是生物、天然高分子，当它们的侧链或者末端带有羟基、氨基、羧基等活性官能

7、团时，就能通过与具有醛基、羧酸基、羟基、N－羟甲基、环氧基等多官能团分子进行交联反应，故可利用此方法先聚合产生高分子链，再交联形成凝胶。②辐照交联。通过放射线辐照链状高分子，形成交联结构制备凝胶。有两种方法，一是先辐照固态的高分子链使相互交联后，再加适当溶剂使其溶胀成凝胶；二是直接辐照聚合物溶液，使聚合物交联而成凝胶。③等离子交联。利用等离子体使高分子交联，即利用惰性气体的活性种让高分子链交联的方法。氦、氩等惰性气体在等离子体中虽然自身没有化学反应性，但是它们却能够切断高分子表面上的化学键。结果产生的高分子自由基又相互结合而形成交联。2.4.2物理制备

8、方法高分子凝胶物理交联则是聚合物链通过不同的相互作用如氢键、疏水缔合、静电作用等形成结合区。（