DMAEMA系刺激响应性水凝胶的合成与性能研究

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敏感性水凝胶是一种亲水性的但不溶解于水的高分子交联网络,它具有感知环境细微变化(如pH、离子强度、温度、电场、光场等的影响)并通过体积的溶胀和收缩来响应这些来自外界的刺激的功能,这种对环境刺激的响应性使之可以用于设计仿生材料、化学分离体系、药物释放体系及化学阀门等领域。本文采用水溶液聚合法制备了化学交联的DMAEMA/AA及DMAEMA/AM共聚智能型水凝胶并研究了他们的温度、pH、离子强度及电场刺激响应性,研究了DMAEMA/AA共聚水凝胶的合成工艺并探讨了一些提高凝胶响应速率的方法,主要研究内容及结果如下:以N、N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,以过硫酸铵和亚硫酸氢钠为氧化-还原引发剂,在水溶液中合成了DMAEMA/AA共聚水凝胶,以凝胶在去离子水中的ESR为主要评价指标,考察了交联剂用量、引发剂用量、单体质量百分数、单体配比等因素对水凝胶溶胀性能的影响。结果表明得到综合性能优异的水凝胶的最佳工艺条件为:交联剂用量为总单体质量的1.5%,引发剂用量为总单体质量的0.4%,单体质量百分数为30%,DMAEMA:AA=8:2(质量比)。IR的结果表明经处理用来做溶胀性能研究的水凝胶是聚合完全的聚合物网络。研究了DMAEMA/AA共聚水凝胶的溶胀动力学及其对温度、pH、电场和离子强度的刺激响应性,实验规格下的凝胶块经60h才能达到溶胀平衡,且采用Firestone方法研究的结果表明溶胀表现为non-Fickian行为,该凝胶对离子强度、pH、温度、电场的变化均表现出显著的响应性能,在离子强度为0.2时和电压为20V时凝胶发生体积相变;在介质pH小于6及大于8时,凝胶溶胀比变大,而在6-8之间凝胶溶胀率变化不大;随着温度升高,凝胶的ESR在25-70℃的范围内几乎呈现连续性的下降。用同样的方法研究了各合成条件对DMAEMA/AM共聚凝胶的溶胀性能的影响,并经过正交实验,确定了最佳的合成工艺条件:交联剂用量为总单体质量的1.0%,引发剂用量为总单体质量的0.4%,单体质量百分数为25%,DMAEMA:AM=6:4(质量比)。IR的结果表明经处理用来做溶胀性能研究的水凝胶是聚合完全的聚合物网络。研究了DMAEMA/AM共聚水凝胶的溶胀动力学及其对温度、pH、电场和离子强度的刺激响应性,实验规格下的凝胶块经50h才能达到溶胀平衡,研究的结果表明溶胀也表现为non-Fickian行为,该凝胶对离子强度、pH、温度、电场的变化均表现出显著的响应性能,在离子强度为0.3时和电压为20V时凝胶发生体积相变;在介质pH小于3及大于11时,凝胶溶胀比变大,而在3-11之间凝胶溶胀率变化不大;随着温度升高,凝胶的ESR在25-70℃的范围内几乎呈现连续性的下降。研究了提高凝胶的响应速率的一些方法,这些方法合成的水凝胶由于大都在凝胶内部引入了便于水分子通过的孔洞结构,因而表现出更为快速的温度、pH响应性,此外还对凝胶的平衡溶胀比有一定程度的影响。
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