聚丙烯酸羟丙酯水凝胶的温敏性质、相变调控及应用研究

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温敏水凝胶是一种制备简单、高柔韧性,具有三维网络结构的高含水量智能材料。由于其能随外界温度变化而改变自身体积或者透光率,所以在药物递送、智能窗户、温敏致动器和柔性可穿戴设备等领域得到了广泛的应用。然而现有的关于温敏水凝胶的研究更多集中在应用方面,对其转变行为、转变机理和性能调控等仍然缺乏足够的了解。本研究以丙烯酸羟丙酯(HPA)为单体,通过光聚合的方法制备了一种具有最低临界共溶温度(LCST)的新型PHPA温敏水凝胶,并且可以通过改变固含量调控水凝胶的转变温度(12℃至34℃)以应用于不同的场合。浊度法结果表明PHPA水凝胶具有较大的透光率调制能力(93%至1%)、较快的转变速度(90 s)和优异的循环稳定性(>100次的高低温循环)。流变仪结果显示在动态环境下PHPA水凝胶的LCST性质与静态环境下的有所不同,如随着变温速率增大,其LCST向高温方向移动,当升温速率为5℃/min时,水凝胶的转变温度增加了4℃。这可能是聚合物分子链的运动滞后于环境温度的变化速度所致。最后,鉴于PHPA水凝胶在转变前后宽幅的透光率变化、优异的太阳光谱调制能力(Tlum=90.5%,Tsolar=81.1%)和视觉区别度,对其在智能窗户领域以减少建筑物的能源消耗和可控显示领域以保护个人隐私等应用进行了讨论。此外,了解PHPA水凝胶的相变机理对其LCST行为的调控十分重要。我们利用变温红外、SEM、光散射和水接触角等手段表征了PHPA温敏水凝胶相变时从微观到宏观发生的一系列变化。当温度升高时聚合物与水之间在羟基和羰基处的氢键被削弱转而形成分子内氢键,甲基的局部浓度升高,聚合物的疏水性增强。部分水脱离与聚合物的结合聚集成水团发生分相。光线射入水凝胶时在水团处发生米氏散射使得透过率下降,即水与聚合物之间的氢键和聚合物分子链的运动能力在PHPA水凝胶的相变中起着决定性的作用。因此,不同浓度和种类的离子、交联剂和助溶剂被添加到前体溶液中,来改变水凝胶中溶剂水的状态和分子链的运动能力从而调节PHPA温敏水凝胶的LCST行为。处理后的PHPA温敏水凝胶具有较宽的LCST范围(6℃至40℃),可调的转变速度(9s至350 s)和转变窗口(2.6℃至24.6℃),并且离子和助溶剂对PHPA水凝胶的转变温度和转变速度的影响更大,而交联剂对转变窗口的影响更大。此方法大大扩宽了PHPA温敏水凝胶的使用场景并有望适用于其他LCST型温敏水凝胶系统。
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