智能水凝胶的研究进展_杨猛.pdf

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1、化工科技，２０１５，２３（１）：６６～７１综述专论ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ智能水凝胶的研究进展＊杨猛１，周树柏１，刘凤岐２＊＊（１．抚顺哥俩好化学有限公司，辽宁抚顺１１３２１７；２．吉林大学化学学院，吉林长春１３００１２）摘要：智能水凝胶是指在外界环境（如温度、ｐＨ值、电场等）发生变化时，性质随之发生相应改变的水凝胶，即具有环境响应性。水凝胶尤其是智能水凝胶由于其迷人的性质及潜在的应用引起广大科技工作者的研究兴趣。根据智能水凝胶对环境的响应情况，作者详细介绍了ｐＨ敏感性水凝胶、温度敏感性水凝胶、光敏感性水凝

2、胶、电场敏感性水凝胶、磁敏感性水凝胶、盐敏感性水凝胶、化学物质敏感性水凝胶以及多重敏感性水凝胶的研究情况，同时对智能水凝胶的研究方向和应用前景进行了展望。关键词：水凝胶；智能；敏感；响应中图分类号：Ｏ６３１文献标识码：Ａ文章编号：１００８－０５１１（２０１５）０１－００６６－０６水凝胶是一类含有亲水基团能在水中溶胀而的ｐＨ值发生变化时，这些基团发生电离造成聚不溶解的具有三维网络结构的高分子聚合物，是合物链内或链间氢键相互作用、离子相互作用及一种特殊的软湿性材料。智能水凝胶是指在外界聚合物内外的离子浓度、聚合物与溶剂间的相互环境发生变化时（如温度、ｐＨ值、

3、电场、溶剂性作用发生变化，从而导致凝胶网络结构发生变化质、光强度和光波长、压力、离子强度等）凝胶的性引起聚合物链蜷缩或伸展，反映在宏观上则是水质随之发生相应的变化。近年来很多研究工作者凝胶发生体积相变即对外界ｐＨ值的变化产生了对具有环境响应性水凝胶的研究做了大量报道。响应。这类凝胶按照解离基团的类型可分为阴离根据智能水凝胶对环境的响应情况可以分为：单子、阳离子和两性离子３种类型。３种凝胶通常一响应性水凝胶、双重响应性水凝胶和多重响应情况下随ｐＨ值变化时溶胀度的变化规律见［１］性水凝胶。单一响应性水凝胶根据不同的响应情图１。况又可以分为：ｐＨ敏感性水凝胶、

4、温度敏感性水凝胶、光敏感性水凝胶、电场敏感性水凝胶、磁敏感性水凝胶、化学物质敏感性水凝胶等。水凝胶尤其是智能水凝胶由于其迷人的性质及潜在的应用引起广大科技工作者的研究兴趣。１ｐＨ敏感性水凝胶ｐＨ响应水凝胶是最重要、研究最为广泛的响应性水凝胶之一。ｐＨ敏感性水凝胶能随着外ｐＨ值界ｐＨ值变化而发生性质改变（如溶胀度、形状图１不同类型ｐＨ敏感凝胶的通常的相变行为等），通常在凝胶的聚合物链上含有可离子化的酸阴离子型ｐＨ敏感水凝胶的可离子化基团通性或碱性基团，如羧基、磺酸基或氨基等。当外界常为羧基，对于丙烯酸类水凝胶而言，在低ｐＨ值溶液中凝胶处于收缩状态，ｐＨ值升

5、高至中性时，＊基金项目：国家自然科学基金项目（２１１７４０５３）。＊＊通讯联系人。凝胶的溶胀度迅速增大，当溶液的ｐＨ值再升高作者简介：杨猛（１９８２－），男，吉林永吉人，抚顺哥俩好化学有限公司高级工程师，博士，主要从事胶粘剂及水性至强碱时凝胶又开始收缩。这是由于介质的ｐＨ聚合物研究。收稿日期：２０１４－１０－２８值较低时，凝胶中可离子化基团几乎不离解，体系第１期杨猛，等．智能水凝胶的研究进展·６７·内没有静电斥力的作用，同时在此时阴离子基团溶胀度呈现典型的两性离子水凝胶的“Ｖ”型变之间存在较强的氢键作用使得分子链收缩，因此化。在酸性条件下氨基的离子化羧基

6、、在碱性条凝胶的溶胀度很低；随着ｐＨ值的升高，可离解基件下羧基离子化使得在酸碱条件下凝胶体系中均团迅速解离，离子间的静电斥力使得分子链伸展存在静电排斥作用使得凝胶分子链趋于伸展，凝凝胶网络变大，溶胀度开始变大；当ｐＨ值继续升胶的溶胀度大；而在中性时（４＜ｐＨ＜８）酸碱基团高至强碱时，此时离解完全而且凝胶内、外离子浓均存在部分离子化，由于阴阳离子的配合作用使度基本相等，凝胶内外的渗透压趋于零，凝胶逐渐得凝胶在此区域的溶胀度很低尤其在ｐＨ＝６～７［２］收缩。ＨＭＮｉ等人在乙醇溶液中通过自由基时两者离解程度相近时溶胀度最小。共聚合丙烯酰胺－甲基丙烯酸－Ｎ，Ｎ亚

7、甲基双丙烯２温度敏感性水凝胶酰胺制得具有ｐＨ－体积突变型的凝胶微球，研究了凝胶组成、反应条件对ｐＨ－相变行为的影响。温度敏感性水凝胶在环境温度发生变化时发［３］刘海清等人将丙烯酰胺－马来酸酐共聚物溶液生响应，凝胶自身的性质发生改变（溶胀度、透光电纺丝制成纳米纤维，以二甘醇为交联剂通过热率等）。由于温度变化（刺激）不仅在自然情况下引发酯化交联的方式制备了纳米纤维水凝胶，由存在，而且很容易靠人工实现，温度敏感性水凝胶于聚马来酸酐的两步解离使得该凝胶在ｐＨ＝因此是研究最为广泛的一类智能水凝胶。目前研２．５和８．５处显示出２个明显的溶胀度增大过程。究较多的是随着

8、温度的变化凝胶发生溶胀度、透阳离子型ｐＨ敏感性水凝胶的可离子化基团光率的变化：凝