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【摘 要】智能水凝胶是一类对外界环境微小的物理和化学刺激，如温度、压力、pH值、光、电场、离子强度、化学物质等能产生敏感响应的交联聚合物。本文重点阐述智能水凝胶在服饰中的实践教学与应用研究，增强服饰的功能性，创造市场价值。
【关键词】智能水凝胶；服饰；应用；研究；环境响应
1.智能水凝胶概述
随着社会发展的不断进步及人们生活水平的逐渐提高，人们对服饰的要求也不仅仅局限于遮体、保暖、美观性的要求，更希望纺织品更具功能性和智能性。因此，智能纺织品应运而生。它基于仿生学概念，模拟生命系统，对环境或环境因素的刺激有感知并能做出响应，同时保留了纺织材料、纺织品的风格和技术性能。称之为“智能”，是因为它具有思考甚至有恢复原始状态的记忆功能。本次研究主要研究智能水凝胶在服饰中的应用与研究，是服饰更具功能性及智能性。
1.1温度敏感型智能水凝胶
温敏性水凝胶的吸水量在某一温度（即相转变温度）有突发性变化，有低温收缩型和高温收缩型2种类型，另外一类凝胶随着外界温度的变化颜色发生变化。聚（N，N.二甲基丙烯酰胺-c-丙烯酰胺-c-甲基丙烯酸丁酯）与聚丙烯酸形成的互穿网络结构的水凝胶属低温收缩型，聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）凝胶则是典型的高温收缩水凝胶，近年来与之相关的研究已有很多。PNIPAAm水凝胶同时具有亲水性和疏水性结构，相转变温度大约为32℃.与人体温度接近。且其溶胀一退溶胀变化显著。
1.2压力敏感型智能水凝胶
水凝胶的压力敏感性最早是由Marchetti 通过理论计算提出来的，其计算结果表明，凝胶在低压下出现塌陷，在高压下出现膨胀。最近钟兴等人研究了压力对聚N-正丙基丙烯酰胺（PNIPA）、聚N，N-二乙基丙烯酰胺（PNDEA）及PNIPAAM这3种凝胶溶胀性的影响，认为3种凝胶之所以表现出明显的压敏性，首先是因为它们具有温敏性，另外还因为其相转变温度随压力而有所升高。所以，当温度不变时，如果常压下处于收缩状态的凝胶因为压力的增加而使其所处温度低于相转变温度的话，凝胶将发生大幅度的溶胀。
2.创新实践教学与应用研究
按照预定的项目研究进展方案，经过资料收集整理、材料收集、社会调研，到产品设计。通过购买及工厂参观寻访，用了三种样品，智能水凝胶枕头、冰垫及原料一份。鉴于三种样品皆为温度敏感型水凝胶，需要对样品进行测试，检验其温度性能。本次测试我们采用了对比方法。分别在30℃、35℃、38℃恒温条件下进行测试，通过对比来确定样品的温度性能。（在三种样品中，智能水凝胶枕头及水凝胶原料不符合要求，故未将数据及图表列出）。通过测试，可以明显的看出冰垫样品温度性能十分不错，在一个小时内，温度上升效果很小。
产品设计方面，我们制定了五种设计方案，分别是脚腕防护套/贴、拳击手套、滑冰护具、骑行裤、护腕。
脚腕防护套/贴，该设计主要是鉴于鞋子对脚腕的磨损，尤其是篮球运动鞋及高跟鞋，主要是采用智能水凝胶的柔软性及吸湿透湿的性能，一方面可以增加舒适性，另一方面可以对脚部起到很好的保护作用。
拳击手套，该设计采用压力敏感型智能水凝胶，利用压力敏感型智能水凝胶在较大压力下体积膨胀，一方面可以吸收能量，起到缓冲作用；另一方面可以是拳套与拳头接触更加紧密，但由于智能水凝胶的柔软性，不会感觉到紧迫感。
滑冰护具，该方案设计原理和拳击手套相同，在此不做过多赘述。
护腕，护腕采用温度敏感型智能水凝胶经行制作，及利用的智能水凝胶对温度的调节作用，又利用了水凝胶的吸湿透湿性能，在降温方面将会起到良好的作用。此外，我们还打算将药物添加进去，增强其降温性。
骑行裤，通过调查发现，现在市面上的山地自行车的座位普遍非常的硬而且比普通自行车的座位小，人做的时候时间久了会感到十分的不舒服。我们将智能水凝胶利用到骑行裤上，既起到吸湿透湿的效果，有可以增加接触面，减小压力，增强舒适感。
创新实践教学与研究将对设计方案经行进一步的论证与制作。
3.智能水凝胶的理论和机理
3.1 基本作用力
早期，学者们提出水凝胶体系的3种基本作用力，它们是橡胶弹力、聚合物间亲和力和氢离子间压力。作用在凝胶上的总压力就是这3种作用力的合力，被称为凝胶的渗透压，它决定着凝胶是趋于吸收液体还是排斥液体。 后来经过进一步的深入研究，人们又把诱导水凝胶体系发生相转变的分子间相互作用更准确地归纳为4类：疏水作用、范德华力、氢键、离子间作用力。
3.2 动力学研究
学者kato等对大孔隙水凝胶动力学的研究表明，N-异丙基丙烯酰胺在NaCl溶液中的去膨胀过程由两个因素控制：一个是氯离子间的斥力，另一个是盐析效应。
Hirose等对N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸共聚物水凝胶的体积相转变动力学行为进行了细致的研究，并提出去溶胀过程由3个阶段构成：1均匀收缩阶段，水凝胶的尺寸按指数规律减小。2平台阶段，柱状水凝胶的两端开始收缩而中间部分仍处于膨胀状态。3崩坍阶段，此时水凝胶的中间部分亦随时间而线性收缩。实验表明，对于带有少量电荷的水凝胶能较好的符合上述过程。
3.3 水凝胶的敏感性机理
Tanaka等通过测定聚合物链的持续长度b与有效半径a之比（即代表聚合物链刚性的度量）及敏感性之间的关系，提出了半经验参数s作为有无敏感性的判据：s=（ba）（2f+1），式中f代表单位有效链上可离子化基团的数目。他们认为s>290时水凝胶会发生敏感性相转变，而当s<290时则没有敏感性相转变。这一半经验的判据中虽然涉及了交联网的结构因素，但并不能说明为什么相同的聚合物，溶胀条件不同，其敏感性表现不同。
4.智能水凝胶的应用 水凝胶在生物医药、组织工程等方面得到了广泛应用，如可作为组织填充剂、药物缓释剂、酶的包埋、蛋白质电泳、接触眼镜、人工血浆、人造皮肤、组织工程支架材料等。
4.1 分子器件
利用智能凝胶在外界刺激下的变形、膨胀、收缩时产生的机械能，可以实现化学能和机械能的直接转换，从而开发以凝胶为主体的化学阀、驱动器、传感器、药物控释系统、分子分离系统等微机械产品。用凝胶制作微机械元件，由于凝胶柔软有弹性，且其弹性模量可通过交联密度调节，可使微机械元件的尺寸进一步减小，并能保持足够的驱动力。同时，由于凝胶尺寸的减小，缩短了控制凝胶收缩与膨胀的扩散距离，大大提高了凝胶的响应速率。近来国外一些科学家正在探讨利用凝胶受环境变化而变化的特性来研制凝胶微机械元件，并已取得了一些重要成果，引起了人们的高度重视，但国内尚未见报道。
4.2 调光材料
利用智能型大分子和大分子水凝胶的环境敏感行为可以设计制作调光材料。它是一种温度敏感材料，当阳光照射到凝胶时，一部分转变为热能。水凝胶系统的调光性赋予了其“开关”温度TS ，在TS以下凝胶网络透明，而当温度升至TS以上则形成散光的微粒。MIT的Suzuki和Tanaka设计了一种对光敏感的PNIPPAM 凝胶。他们在凝胶中引入光敏成分叶绿素。光照时，叶绿素吸收光能使其微环境温度升高，凝胶收缩，反之，凝胶溶胀。测得直径为5Lm 的凝胶响应时间约为5min。
4.3 生物医学
医用高分子材料指的是在医学上使用的高分子材料，是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。它涉及到物理学、化学、生物化学、病理学、医学、输血学等多种边缘学科，是生物材料的重要组成部分。目前，医用高分子材料的应用已遍及整个医学领域，如血液接触的高分子材料、组织工程用高分子材料、药用高分子材料、医药包装用高分子材料、眼科用高分子材料、医用粘合剂和缝合线、医疗器械用高分子材料等等。
总之，研究开发具有优异性能的智能型水凝胶是一个富有挑战性的任务，如果能及时总结已有的成果并将其应用于未来的研究中，将低毒性、良好的生物相容性和生物降解性、优良的机械性能和环境敏感性这几点完美结合起来，制备出新型、绿色的智能水凝胶是我们努力的研究方向。
参考文献：
[1]王守玉，赵替，曹绪芝.智能型凝胶及其应用[J].石家庄职业技术学院学报.2003.15（6）：18-20.
[2]王立君，等.智能水凝胶的发展现状[J].合成技术及应用，2007.22（3）：43-48.
【关键词】智能水凝胶；服饰；应用；研究；环境响应
1.智能水凝胶概述
随着社会发展的不断进步及人们生活水平的逐渐提高，人们对服饰的要求也不仅仅局限于遮体、保暖、美观性的要求，更希望纺织品更具功能性和智能性。因此，智能纺织品应运而生。它基于仿生学概念，模拟生命系统，对环境或环境因素的刺激有感知并能做出响应，同时保留了纺织材料、纺织品的风格和技术性能。称之为“智能”，是因为它具有思考甚至有恢复原始状态的记忆功能。本次研究主要研究智能水凝胶在服饰中的应用与研究，是服饰更具功能性及智能性。
1.1温度敏感型智能水凝胶
温敏性水凝胶的吸水量在某一温度（即相转变温度）有突发性变化，有低温收缩型和高温收缩型2种类型，另外一类凝胶随着外界温度的变化颜色发生变化。聚（N，N.二甲基丙烯酰胺-c-丙烯酰胺-c-甲基丙烯酸丁酯）与聚丙烯酸形成的互穿网络结构的水凝胶属低温收缩型，聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）凝胶则是典型的高温收缩水凝胶，近年来与之相关的研究已有很多。PNIPAAm水凝胶同时具有亲水性和疏水性结构，相转变温度大约为32℃.与人体温度接近。且其溶胀一退溶胀变化显著。
1.2压力敏感型智能水凝胶
水凝胶的压力敏感性最早是由Marchetti 通过理论计算提出来的，其计算结果表明，凝胶在低压下出现塌陷，在高压下出现膨胀。最近钟兴等人研究了压力对聚N-正丙基丙烯酰胺（PNIPA）、聚N，N-二乙基丙烯酰胺（PNDEA）及PNIPAAM这3种凝胶溶胀性的影响，认为3种凝胶之所以表现出明显的压敏性，首先是因为它们具有温敏性，另外还因为其相转变温度随压力而有所升高。所以，当温度不变时，如果常压下处于收缩状态的凝胶因为压力的增加而使其所处温度低于相转变温度的话，凝胶将发生大幅度的溶胀。
2.创新实践教学与应用研究
按照预定的项目研究进展方案，经过资料收集整理、材料收集、社会调研，到产品设计。通过购买及工厂参观寻访，用了三种样品，智能水凝胶枕头、冰垫及原料一份。鉴于三种样品皆为温度敏感型水凝胶，需要对样品进行测试，检验其温度性能。本次测试我们采用了对比方法。分别在30℃、35℃、38℃恒温条件下进行测试，通过对比来确定样品的温度性能。（在三种样品中，智能水凝胶枕头及水凝胶原料不符合要求，故未将数据及图表列出）。通过测试，可以明显的看出冰垫样品温度性能十分不错，在一个小时内，温度上升效果很小。
产品设计方面，我们制定了五种设计方案，分别是脚腕防护套/贴、拳击手套、滑冰护具、骑行裤、护腕。
脚腕防护套/贴，该设计主要是鉴于鞋子对脚腕的磨损，尤其是篮球运动鞋及高跟鞋，主要是采用智能水凝胶的柔软性及吸湿透湿的性能，一方面可以增加舒适性，另一方面可以对脚部起到很好的保护作用。
拳击手套，该设计采用压力敏感型智能水凝胶，利用压力敏感型智能水凝胶在较大压力下体积膨胀，一方面可以吸收能量，起到缓冲作用；另一方面可以是拳套与拳头接触更加紧密，但由于智能水凝胶的柔软性，不会感觉到紧迫感。
滑冰护具，该方案设计原理和拳击手套相同，在此不做过多赘述。
护腕，护腕采用温度敏感型智能水凝胶经行制作，及利用的智能水凝胶对温度的调节作用，又利用了水凝胶的吸湿透湿性能，在降温方面将会起到良好的作用。此外，我们还打算将药物添加进去，增强其降温性。
骑行裤，通过调查发现，现在市面上的山地自行车的座位普遍非常的硬而且比普通自行车的座位小，人做的时候时间久了会感到十分的不舒服。我们将智能水凝胶利用到骑行裤上，既起到吸湿透湿的效果，有可以增加接触面，减小压力，增强舒适感。
创新实践教学与研究将对设计方案经行进一步的论证与制作。
3.智能水凝胶的理论和机理
3.1 基本作用力
早期，学者们提出水凝胶体系的3种基本作用力，它们是橡胶弹力、聚合物间亲和力和氢离子间压力。作用在凝胶上的总压力就是这3种作用力的合力，被称为凝胶的渗透压，它决定着凝胶是趋于吸收液体还是排斥液体。 后来经过进一步的深入研究，人们又把诱导水凝胶体系发生相转变的分子间相互作用更准确地归纳为4类：疏水作用、范德华力、氢键、离子间作用力。
3.2 动力学研究
学者kato等对大孔隙水凝胶动力学的研究表明，N-异丙基丙烯酰胺在NaCl溶液中的去膨胀过程由两个因素控制：一个是氯离子间的斥力，另一个是盐析效应。
Hirose等对N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸共聚物水凝胶的体积相转变动力学行为进行了细致的研究，并提出去溶胀过程由3个阶段构成：1均匀收缩阶段，水凝胶的尺寸按指数规律减小。2平台阶段，柱状水凝胶的两端开始收缩而中间部分仍处于膨胀状态。3崩坍阶段，此时水凝胶的中间部分亦随时间而线性收缩。实验表明，对于带有少量电荷的水凝胶能较好的符合上述过程。
3.3 水凝胶的敏感性机理
Tanaka等通过测定聚合物链的持续长度b与有效半径a之比（即代表聚合物链刚性的度量）及敏感性之间的关系，提出了半经验参数s作为有无敏感性的判据：s=（ba）（2f+1），式中f代表单位有效链上可离子化基团的数目。他们认为s>290时水凝胶会发生敏感性相转变，而当s<290时则没有敏感性相转变。这一半经验的判据中虽然涉及了交联网的结构因素，但并不能说明为什么相同的聚合物，溶胀条件不同，其敏感性表现不同。
4.智能水凝胶的应用 水凝胶在生物医药、组织工程等方面得到了广泛应用，如可作为组织填充剂、药物缓释剂、酶的包埋、蛋白质电泳、接触眼镜、人工血浆、人造皮肤、组织工程支架材料等。
4.1 分子器件
利用智能凝胶在外界刺激下的变形、膨胀、收缩时产生的机械能，可以实现化学能和机械能的直接转换，从而开发以凝胶为主体的化学阀、驱动器、传感器、药物控释系统、分子分离系统等微机械产品。用凝胶制作微机械元件，由于凝胶柔软有弹性，且其弹性模量可通过交联密度调节，可使微机械元件的尺寸进一步减小，并能保持足够的驱动力。同时，由于凝胶尺寸的减小，缩短了控制凝胶收缩与膨胀的扩散距离，大大提高了凝胶的响应速率。近来国外一些科学家正在探讨利用凝胶受环境变化而变化的特性来研制凝胶微机械元件，并已取得了一些重要成果，引起了人们的高度重视，但国内尚未见报道。
4.2 调光材料
利用智能型大分子和大分子水凝胶的环境敏感行为可以设计制作调光材料。它是一种温度敏感材料，当阳光照射到凝胶时，一部分转变为热能。水凝胶系统的调光性赋予了其“开关”温度TS ，在TS以下凝胶网络透明，而当温度升至TS以上则形成散光的微粒。MIT的Suzuki和Tanaka设计了一种对光敏感的PNIPPAM 凝胶。他们在凝胶中引入光敏成分叶绿素。光照时，叶绿素吸收光能使其微环境温度升高，凝胶收缩，反之，凝胶溶胀。测得直径为5Lm 的凝胶响应时间约为5min。
4.3 生物医学
医用高分子材料指的是在医学上使用的高分子材料，是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。它涉及到物理学、化学、生物化学、病理学、医学、输血学等多种边缘学科，是生物材料的重要组成部分。目前，医用高分子材料的应用已遍及整个医学领域，如血液接触的高分子材料、组织工程用高分子材料、药用高分子材料、医药包装用高分子材料、眼科用高分子材料、医用粘合剂和缝合线、医疗器械用高分子材料等等。
总之，研究开发具有优异性能的智能型水凝胶是一个富有挑战性的任务，如果能及时总结已有的成果并将其应用于未来的研究中，将低毒性、良好的生物相容性和生物降解性、优良的机械性能和环境敏感性这几点完美结合起来，制备出新型、绿色的智能水凝胶是我们努力的研究方向。
参考文献：
[1]王守玉，赵替，曹绪芝.智能型凝胶及其应用[J].石家庄职业技术学院学报.2003.15（6）：18-20.
[2]王立君，等.智能水凝胶的发展现状[J].合成技术及应用，2007.22（3）：43-48.