具有新型交联结构的微凝胶的制备、结构与性能研究

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微凝胶是具有三维交联网络结构的胶体纳米粒子,通过引入特定功能性的单体、交联剂等元素可构筑对温度、pH、光、磁等不同外部刺激具有响应性的微凝胶,在可控药物释放、涂料、催化等领域均具有广泛的应用前景。无皂乳液聚合(SFEP)方法可用于制备在水中具有低临界溶解温度(LCST)的骨架微凝胶,由于具有操作简单且产物无表面活性剂残留等优点,因而在微凝胶研究领域被广泛使用。然而,目前已经报道的用于SFEP方法制备微凝胶的交联方法比较单一,主要是采用N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)和二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)等含有2个双键的单体,通过多个双键参与聚合反应形成交联点,进而形成微凝胶的交联网络。因此,开发新型的交联方法对新型微凝胶的合成及应用具有重要意义。基于此,本论文提出了三种新的交联方法,分别利用酚羟基捕捉自由基、氢键作用和酰腙化反应形成交联网络,制备了多种具有新型交联结构的刺激响应性微凝胶,并对所得新型微凝胶的合成方法、交联机理、结构和性能进行了深入研究。1.以含儿茶酚基团的单体(DMA)为交联剂制备微凝胶合成了含有儿茶酚基团的共聚单体多巴胺甲基丙烯酰胺(DMA),并将其与N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)在70℃的水中进行无皂乳液共聚合(SFEP),在未加入其它交联剂的情况下成功制备得到了尺寸均一的温敏性poly(NIPAM-co-DMA)微凝胶。该微凝胶交联网络的形成机理是未受保护的儿茶酚基团在无皂乳液聚合过程中捕捉共聚物增长链的自由基从而形成交联网络结构。上述方法可进一步应用于制备以N-乙烯基己内酰胺(VCL)或N-(3-(二甲基氨基)丙基)-2-甲基丙烯酰胺(DMAPM)为骨架单体的温敏性微凝胶及以丙烯酰胺(AM),N,N’-甲基丙烯酰胺(DMAA)或N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为主单体的完全水溶性骨架微凝胶。可见,利用儿茶酚与自由基间的反应可大大拓宽适用于SFEP方法制备微凝胶骨架的单体种类范围。2.以单宁酸(TA)为交联剂制备温敏性可降解微凝胶采用NIPAM作为单体,单宁酸或单宁酸修饰的Fe3O4纳米粒子作为交联剂,在70℃水溶液中通过SFEP方法分别成功制备尺寸窄分布的PNIPAM-TA微凝胶及PNIPAM-Fe3O4@TA有机-无机杂化微凝胶。研究表明,PNIPAM-TA微凝胶中存在两种交联结构:TA分子与PNIPAM链间的氢键物理交联结构和TA中的邻苯酚结构捕捉增长链上自由基形成的化学交联结构。此外,PNIPAM-TA微凝胶和PNIPAM-Fe3O4@TA有机-无机杂化微凝胶表现出典型的温敏性和pH依赖的可降解性。其中,PNIPAM-TA微凝胶在溶液pH高于11.4时发生降解,而PNIPAM-Fe3O4@TA有机-无机杂化微凝胶则在pH为1.3和2.1时发生部分降解,当pH高于11.4时完全降解。pH高于11.4时微凝胶的完全降解是由于TA分子中酯基的水解,而PNIPAM-Fe3O4@TA在较低pH下的部分降解的行为则是由于Fe3O4纳米粒子在强酸性条件下发生崩解导致。3.以四醛基四苯基乙烯(TPE-4ALD)为交联剂制备具有聚集诱导发光效应(AIE)的温敏性微凝胶首先合成了含有酰肼侧基的共聚单体AH单体及四醛基四苯基乙烯(TPE-4ALD)交联剂。接着以NIPAM作为主单体,通过AH单体与TPE-4ALD的酰腙化反应形成交联可在70℃水溶液中由SFEP方法直接制备N-AH-TPE温敏性微凝胶。新生成的酰腙键TPE基元(TPE-4AH)通过四个酰腙键被固定于微凝胶的交联网络中,引发了分子内运动受限。因此,N-AH-TPE微凝胶在水中及几种有机溶剂/水的混合物,即DMF/水、甲醇/水、乙醇/水、THF/水和DMSO/水中表现出典型的AIE性质。此外,N-AH-TPE微凝胶在这些混合溶剂体系中均表现出“共不溶”现象。由于PNIPAM骨架的“共不溶”效应引起的TPE-4AH基元受限增强作用与其在良溶剂中的溶剂化作用相互竞争并占据主导地位,最终导致了微凝胶荧光发射强度的提高。除了改变混合溶剂的性质及配比,N-AH-TPE微凝胶的荧光性质也可以通过改变溶液温度和微凝胶的反阴离子进行调节,这些外部环境因素的改变均可使AIE基元的分子运动受限程度发生变化。
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