聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏性超分子水凝胶的制备方法

摘要

本发明涉及一种聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏性超分子水凝胶的制备方法，采用自由基聚合方法，以过硫酸铵为引发剂，以水为溶剂，将单体N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酰胺萘胺共聚，制备了聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)。同时将纳米二氧化硅进行改性，制备了端紫精基纳米二氧化硅。以葫芦[8]脲作为凝胶因子，将聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)与端紫精基纳米二氧化硅通过超分子作用构筑成超分子水凝胶。本发明中所涉及反应条件温和、步骤简单、原料无毒无害、产物处理方便，且产物水凝胶具有温度响应性。在药物缓释、人造器官、环境、智能材料等领域有着广泛应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏性超分子水凝胶的制备方法，属 于高分子合成技术领域。

背景技术

凝胶是一种可以在溶剂中溶胀并保持大量溶剂而不溶解的物质，广泛应用于 医学、生物工程、材料学、食品科学领域中。凝胶按照溶剂分类可以分为有机凝 胶和水凝胶，其中以水凝胶最为常见。在水凝胶内部，小分子或聚合物通过分子 间相互作用形成三维网络状结构，该结构中的空腔可以保留大量水分。根据水凝 胶对外界环境变化的敏感情况，通常分为传统型水凝胶和智能型水凝胶。传统型 水凝胶对外界环境变化不敏感；而智能型水凝胶则能够通过自身结构的调整来响 应外界温度、pH值、离子、溶剂等的细微变化。

在众多智能型水凝胶中，温敏性水凝胶是应用最广泛和最容易控制设计的。 常用的温敏性高分子水凝胶单体包括：N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)、N-乙烯基 吡咯烷酮(NVP)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DEA)、乙烯基丙烯酰胺(EAAm) 等。其中，聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)由于其凝胶转变点约为32℃，接近 人体生理温度，在温敏性水凝胶中应用最为普遍。PNIPAm分子内具有疏水性的 异丙基和亲水性的酰胺基。在温度低于32℃时，PNIPAm中酰胺基与周围水分子 存在着强烈的氢键作用力，使得高分子链与溶剂具有良好的亲和性，此时分子链 呈现出伸展状态。当温度高于32℃时，PNIPAm酰胺键与水分子相互作用力减弱， 异丙基分子间的疏水作用加强，高分子链通过疏水作用聚集，分子链结构由原来 的疏松线团型转变为排列紧密的颗粒状结构。

葫芦[n]脲是由甘脲和甲醛在酸性条件下缩合而成的空腔状大分子化合物的 总称。葫芦[n]脲的两端两个大小相等的端口布满亲水性羰基，可以与客体分子 形成氢键或进行电荷-偶极相互作用。中间的疏水空腔可以选择性的的与许多有 机分子相互作用，并且可以产生某种特定的功能。因此葫芦[n]脲具有很强的客 体分子识别能力。在葫芦[n]脲家族中，根据组成的甘脲单元数的不同，形成了 不同体积的疏水空腔，其中葫芦[8]脲、葫芦[10]脲可以同时容纳一个以上的客体 分子。目前，葫芦[n]脲已经在分子梭、分子开关、信息存储及药物缓释领域有 着广泛的应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏性超分子 水凝胶的制备方法。

发明概述

本发明提供了一种聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏性超分子水凝胶的制备方法。 首先将纳米二氧化硅进行改性，使纳米二氧化硅表面修饰紫精基团；再将温敏性 单体N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酰萘胺共聚，制得共聚物聚(N-异丙基丙烯酰胺 -co-丙烯酰萘胺)。将二者按照一定比例溶解在水中，加入凝胶因子葫芦[8]脲， 超声波使其混合均匀后静置可得到透明状水凝胶。当升温至32℃以上时，透明状 水凝胶转变为白色不透明状水凝胶，同时该水凝胶的流变性质发生明显变化。

发明详述

本发明含有N-异丙基丙烯酰胺以及丙烯酰胺萘胺，通过自由基聚合的方式 将其共聚，得到一种温敏性共聚物。同时制备了含有紫精基团的纳米二氧化硅。 通过CB[8](葫芦[8]脲，Cucurbit[8]uril)的包合作用，将共聚物与纳米二氧化硅 通过分子间作用力结合成一体，从而形成网络状超分子水凝胶。该水凝胶随着温 度的变化其凝胶性能显著变化。

本发明的技术方案如下：

一种聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏性超分子水凝胶的制备方法，步骤如下：

(1)将2-萘胺溶解于丙酮中，配成质量比为1:(20～30)的2-萘胺-丙酮溶 液，置于冰水浴中，保持温度为0～5℃；将丙烯酰氯按照与2-萘胺质量比为(0.5～ 0.9):1的比例滴加到2-萘胺-丙酮溶液中，反应2～4小时后，取上层清液，干 燥，制得粉末状丙烯酰萘胺；

(2)将N-异丙基丙烯酰胺与步骤(1)制得的丙烯酰萘胺按摩尔比1:(0.05～ 0.15)混合溶于水中，N-异丙基丙烯酰胺与水的质量比例为100:(6～9)；然后 通入氮气除氧，加入过硫酸铵溶液，过硫酸铵的加入量与N-异丙基丙烯酰胺的 质量比为(0.5～1.5):100，在65～70℃的条件下反应7～9h，然后加入20～30 倍体积的丙酮，取沉淀，经真空干燥，制得聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘 胺)；

(3)取纳米级SiO₂溶于无水乙醇中，配制成质量浓度为5～10％的SiO₂乙 醇分散液，在70℃回流搅拌条件下，加入硅烷偶联剂的乙醇溶液，含硅烷偶联 剂的质量浓度为4～6％，含硅烷偶联剂与SiO₂的摩尔比例为(8～12):1，反应 2～4h，冷却至室温，离心，取沉淀，经真空干燥，制得端氨基纳米二氧化硅；

(4)将紫精(化学名4-4’联吡啶，4,4'-Dipyridine)溶于无水乙腈中，制得 质量浓度为4～6％的乙腈溶液，加入溴乙烷，溴乙烷与紫精的质量比为(2～ 2.2):1，65～75℃的条件下反应20～28h，过滤，取沉淀，经真空干燥，制得 N-乙基-紫精；

(5)将步骤(3)制得的端氨基纳米二氧化硅、溴乙酰溴、三乙胺按照质量 比1:(0.6～0.8):(0.6～0.8)的比例加入丙酮中，端氨基纳米二氧化硅与丙酮 的质量比为1:300，在冰浴条件下反应6～8h，过滤，取沉淀，经真空干燥，制 得端溴基纳米二氧化硅；

(6)将步骤(4)制得的N-乙基-紫精与步骤(5)制得的端溴基纳米二氧 化硅按质量比1:(0.8～1.2)的比例加入到无水乙腈中，N-乙基-紫精与无水乙腈 的质量比为1:(35～45)，70～80℃下反应35～45h，经过滤，取沉淀，经真空 干燥，制得端紫精基纳米二氧化硅；

(7)取步骤(2)制得的聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)与步骤(6) 制得的端紫精基纳米二氧化硅按质量比1:(0.5～0.9)的比例溶于去离子水中， 聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)与去离子水的质量比为1:(140～160)， 然后加入葫芦[8]脲(CB[8]，Cucurbit[8]uril)，葫芦[8]脲与聚(N-异丙基丙烯酰胺 -co-丙烯酰萘胺)的质量比为(6～7):1，超声波分散10～30min，即得温敏性 高强度水凝胶。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，2-萘胺与丙酮的质量比为1:25，丙 烯酰氯与2-萘胺质量比为0.7:1。

根据本发明优选的，所述步骤(2)中通入氮气的时间为30～60min。

根据本发明优选的，所述步骤(2)中，N-异丙基丙烯酰胺与水的质量比为 100:7，过硫酸铵与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1:100。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中的纳米级SiO₂的直径为60nm。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中，含硅烷偶联剂与SiO₂的摩尔比例为 10:1。

根据本发明优选的，所述步骤(4)中，溴乙烷与紫精的质量比为2.1:1。

根据本发明优选的，所述步骤(5)中，端氨基纳米二氧化硅、溴乙酰溴、 三乙胺的质量比为1:0.8:0.8。

根据本发明优选的，所述步骤(6)中，N-乙基-紫精与端溴基纳米二氧化硅 的质量比为3:1；N-乙基-紫精与无水乙腈的质量比为1:40。

根据本发明优选的，所述步骤(7)中，聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰 萘胺)与端紫精基纳米二氧化硅按质量比1:0.7；聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯 酰萘胺)与去离子水的质量比为1:150，葫芦[8]脲与聚(N-异丙基丙烯酰胺-co- 丙烯酰萘胺)的质量比为6.5:1。

有益效果

1、本发明将葫芦[8]脲作为凝胶因子将聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘 胺)与端紫精基纳米二氧化硅联接生成三维网络状水凝胶，可以通过改变葫芦[8] 脲的加入量来调节产物水凝胶的交联度；

2、本发明通过调节温度，可以对产物水凝胶的透光率和机械强度进行调节；

3、本发明所述方法，原料易得，成本低，合成工艺简单温和，产率高，制 得的产品无毒无害，可广泛应用于医药、生物、环境、智能材料等领域。

附图说明

图1是聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)的合成路线图；

图2是端紫精基纳米二氧化硅的制备路线图；

图3左图为在室温下加热至32℃，30min凝胶变化图；右图为从32℃冷却至 室温，30min凝胶变化图；

图4是本发明制得的水凝胶形貌随温度变化的照片；

图5是实施例1制得的温敏性高强度水凝胶的流变曲线图；

图6是凝胶微观形貌电镜照片；

其中：图6A、端紫精基纳米二氧化硅微观形貌电镜照片；

图6B、聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)微观形貌电镜照片；

图6C、加入CB[8]后1.5h整个体系微观形貌电镜照片；

图6D、加入CB[8]后3.0h整个体系微观形貌电镜照片；

图6E、加入CB[8]后4.5h整个体系微观形貌电镜照片；

图7是温敏性高强度水凝胶的温度-凝胶透光率变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步阐述，但本发明所保护范围不 限于此。

原料来源：

N-异丙基丙烯酰胺购自百灵威科技有限公司。

硅烷偶联剂KH-550购自上海国药集团化学试剂有限公司。

紫精购自百灵威科技有限公司。

过硫酸铵购自上海国药集团化学试剂有限公司。

无水乙腈、丙酮、无水乙醇皆购自山东富宇化工有限公司。

葫芦[8]脲(CB[8]，Cucurbit[8]uril)购自百灵威试剂公司。

实施例1

一种聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏性超分子水凝胶的制备方法，步骤如下：

(1)将10g2-萘胺溶解于200g丙酮中，配成2-萘胺-丙酮溶液，置于冰水 浴中，保持温度为0～5℃；将5～9g丙烯酰氯滴加到2-萘胺-丙酮溶液中，反应3 小时后，取上层清液，干燥，制得粉末状丙烯酰萘胺；

(2)将N-异丙基丙烯酰胺4.24g与步骤(1)制得的丙烯酰萘胺0.39g混合 溶于50mL水中；然后通入氮气除氧40min，取0.025g过硫酸铵配制成过硫酸铵 溶液滴加至反应体系中，在67℃的条件下反应8h，然后加入20倍体积的丙酮， 取沉淀，经真空干燥，制得聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)；

(3)取直径为60nm的SiO₂6.0g溶于100mL无水乙醇中，配制成SiO₂乙 醇分散液，在70℃回流搅拌条件下，加入含硅烷偶联剂KH-550的浓度为5％wt 的乙醇溶液20mL，反应3h，冷却至室温，4000rpm离心20min，取沉淀，经真 空干燥，制得端氨基纳米二氧化硅；

(4)将7.78g紫精(化学名4-4’联吡啶，4,4'-Dipyridine)溶于60mL无水 乙腈中，制得乙腈溶液，滴加入1.32g溴乙烷，70℃的条件下反应24h，过滤， 取沉淀，经真空干燥，制得浅黄色固体N-乙基-紫精；

(5)将步骤(3)制得的端氨基纳米二氧化硅0.23g、溴乙酰溴0.14mL、三 乙胺0.14mL加入70mL丙酮中，在冰浴条件下反应6h，过滤，取沉淀，经真空 干燥，制得端溴基纳米二氧化硅；

(6)将步骤(4)制得的N-乙基-紫精0.98g与步骤(5)制得的端溴基纳米 二氧化硅0.52g加入到无水乙腈34mL中，75℃下反应40h，经过滤，取沉淀， 经真空干燥，制得淡黄色固体端紫精基纳米二氧化硅；

(7)取步骤(2)制得的聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)0.045g与 步骤(6)制得的端紫精基纳米二氧化硅0.03g溶于1.5mL去离子水中，然后加 入CB[8](葫芦[8]脲，Cucurbit[8]uril)0.27g，超声波分散15min，制得浅黄色透 明状温敏性高强度水凝胶。

该浅黄色透明状水凝胶加热到约32℃时，即可转变为白色不透明水凝胶， 凝胶强度明显上升。

试验例1：

凝胶性能测试：

采用凝胶流变学测试方法，测试采用流变谱仪(Haake流变仪，RS6000)， 使用直径为50mm的平板样品台，平板和样品台之间的距离为0.5mm。采用恒温 水浴槽控制温度，测试时升温速度为0.5℃/min，转子转速为0.1rad/s，每次检测 取凝胶约2.0g至5.0g。

对凝胶的弹性模量与粘性模量进行检测，经检测，结果如图5所示。

由图5所示，随着CB[8]添加比例的增加，凝胶的弹性模量(G’)呈现出明显的 增加，并且随着温度的升高，G’呈现显著上升后缓慢下降的趋势。而粘性模量 (G”)则随温度升高而几乎保持不变。这说明了升温可导致凝胶的机械强度增 加。

测试凝胶微形貌方法：取样品端紫精基纳米二氧化硅、聚(N-异丙基丙烯 酰胺-co-丙烯酰萘胺)、聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏型水凝胶各0.28g，置于液氮 中冷冻15min。取出后研碎，测试扫描电镜(SEM)图片，扫描电镜型号SUPRA^TM55热场发射扫描电子显微镜。

图6中，A为端紫精基纳米二氧化硅微观形貌图，B为聚(N-异丙基丙烯酰胺 -co-丙烯酰萘胺)微观形貌图，C、D、E为温敏性高强度水凝胶微观形貌图。当 CB[8]加入后，整个体系中出现了一个个微凝胶点，整个凝胶的内部呈现出三维 网络状结构，并且随着CB[8]加入量的增加(由C到E)，凝胶内部交联点逐渐增 加。从结构上有力的证明了CB[8]的加入可以使得凝胶机械强度增加。

取凝胶样品5.0g，置于1cm石英比色皿中，，升温速度0.5℃/min透光率测定采 用紫外分光光度计测定，仪器型号：美国尤尼柯UV-2600。

图7阐释了升温条件下凝胶透光率的变化情况。在15℃条件下升温，当温度 达到25℃左右时，凝胶透光率呈现显著下降趋势，在32℃左右变得完全不透明。 降温，凝胶即可缓慢恢复到原貌。这说明了可以通过改变温度来调节凝胶的透光 率。

实施例2

一种聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏性超分子水凝胶的制备方法，步骤如下：

(1)将20g2-萘胺溶解于500g丙酮中，配成2-萘胺-丙酮溶液，置于冰水 浴中，保持温度为0～5℃；将10g丙烯酰氯滴加到2-萘胺-丙酮溶液中，反应3 小时后，取上层清液，干燥，制得粉末状丙烯酰萘胺；

(2)将N-异丙基丙烯酰胺8.50g与步骤(1)制得的丙烯酰萘胺0.8g混合 溶于100mL水中；然后通入氮气除氧40min，取0.025g过硫酸铵配制成过硫酸 铵溶液滴加至反应体系中，在67℃的条件下反应8h，然后加入20倍体积的丙酮， 取沉淀，经真空干燥，制得聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)；

(3)取直径为60nm的SiO₂6.0g溶于100mL无水乙醇中，配制成SiO₂乙 醇分散液，在70℃回流搅拌条件下，加入含硅烷偶联剂KH-550的浓度为5％wt 的乙醇溶液20mL，反应3h，冷却至室温，4000rpm离心20min，取沉淀，经真 空干燥，制得端氨基纳米二氧化硅；

(4)将15.6g紫精(化学名4-4’联吡啶，4,4'-Dipyridine)溶于120mL无水 乙腈中，制得乙腈溶液，滴加入2.7g溴乙烷，70℃的条件下反应24h，过滤，取 沉淀，经真空干燥，制得浅黄色固体N-乙基-紫精；

(5)将步骤(3)制得的端氨基纳米二氧化硅0.23g、溴乙酰溴0.16mL、三 乙胺0.16mL加入70mL丙酮中，在冰浴条件下反应6h，过滤，取沉淀，经真空 干燥，制得端溴基纳米二氧化硅；

(6)将步骤(4)制得的N-乙基-紫精2.0g与步骤(5)制得的端溴基纳米 二氧化硅1.1g加入到无水乙腈70mL中，75℃下反应40h，经过滤，取沉淀，经 真空干燥，制得淡黄色固体端紫精基纳米二氧化硅；

(7)取步骤(2)制得的聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺)0.045g与 步骤(6)制得的端紫精基纳米二氧化硅0.03g溶于1.5mL去离子水中，然后加 入CB[8](葫芦[8]脲，Cucurbit[8]uril)0.55g，超声波分散15min，制得浅黄色透 明状温敏性高强度水凝胶。

该浅黄色透明状水凝胶加热到约32℃时，即可转变为白色不透明水凝胶， 凝胶强度明显上升。

凝胶性能测试同试验例1。

升温条件下凝胶透光率的变化情况如图7所示。

实施例3

将实施例1中步骤(1)改为：将15g2-萘胺溶解于450mL丙酮中，配制成2- 萘胺丙酮溶液。

将实施例2中步骤(4)改为将31.2g紫精溶于240mL乙腈，滴加入2.64g溴乙烷， 70℃下反应24h。

凝胶性能测试同试验例1。

升温条件下凝胶透光率的变化情况如图7所示。

实施例4

将实施例2中步骤(5)改为端氨基纳米二氧化硅0.46g，溴乙酰溴0.32mL，三 乙胺0.32mL，溶解于140mL丙酮中。在冰水浴下反应7h。

将实施例2中步骤(7)改为取制得聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰萘胺) 0.09g，与端紫精基纳米二氧化硅0.06g溶于3mL去离子水中，然后加入CB[8](葫 芦[8]脲Cucurbit[8]uril)1.1g。超声波分散15min，制得浅黄色温敏性透明状超分 子水凝胶。

实施例5

将实施例1中步骤(3)改为取直径60nm的SiO₂20.0g溶于200mL无水乙醇中， 配制成SiO₂乙醇分散液，在70℃条件下，加入含硅烷偶联剂KH-550的的浓度为 5％wt的乙醇溶液40mL，反应3h，冷却至室温，4000rpm离心20min，取沉淀，经 真空干燥，制得端氨基纳米二氧化硅。

将实施例1中步骤(6)改为取N-乙基-紫精0.98g与端溴基纳米二氧化硅1.1g 加入到无水乙腈40mL中，75℃下反应40h，经过滤，取沉淀，经真空干燥，得淡 黄色固体端氨基纳米二氧化硅。