AMPS/DMAEMA系智能型水凝胶的合成与性能研究

摘要

该文采用水溶液聚合法制备了化学交联的AMPS/DMAEMA及AMPS/DMAEMA/NVP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AMPS/DMAEMA共聚水凝胶的合成工艺及其共聚反应动力学过程,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AMPS/DMAEMA共聚水凝胶,以凝胶在pH=0.8的HCl溶液中的ESR为评价指标,考察了交联剂浓度、引发剂浓度、单体总浓度、单体配比等因素对水凝胶溶胀性能的影响.结果表明,在优化的实验条件下可得到综合性能优良的水凝胶,经优化得到的工艺条件为:交联剂用量4.0wt％,引发剂用量0.5wt％,单体总浓度0.2 g/mL,AMPS:DMAEMA=3:7(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AMPS/DMAEMA共聚水凝胶的溶胀动力学及其对温度、pH和离子强度的刺激响应性,实验规格下的凝胶块经4h就可基本达到溶胀平衡,该凝胶对离子强度、pH的变化均表现出显著的体积突变现象,且体积相变发生在离子强度和pH分别为0.1和4左右,但随温度升高凝胶的ESR在30~60℃的范围内几乎呈现连续性的变化,体积相变不明显.AMPS/DMAEMA/NVP水凝胶是一类新型的同时具有温度、pH、离子强度和电场四重响应性的智能型水凝胶,实验规格下的凝胶块需要45h以上的时间才能达到溶胀平衡,且采用Firestone方法研究的结果证明溶胀表现为non-Fickian行为,该凝胶对温度、pH、离子强度以及电场均表现出显著的体积突变现象,凝胶体积相变的离子强度临界值大约为0.1,凝胶的ESR在pH=2左右出现一个突跃点,并且具有较小交联度的凝胶表现出更加灵敏的pH响应性,凝胶的ESR随温度的升高呈现出不连续的跳跃式变化,其LCST在42~45℃之间,凝胶之所以具有电场响应性是由于凝胶中荷点基团(-SO31-)的抗衡离子在电场下的定向移动造成凝胶内外离子浓度或凝胶内部pH的不均匀,进一步导致离子强度的变化从而引起渗透压的变化,最后发生凝胶的体积突变或形状改变,此外疏水基团的相互作用也是不可忽视的驱动力之一.研究了提高凝胶的响应速率的一些方式,这些方式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.对AMPS与DMAEMA共聚动力学研究的结果经自由基聚合反应的理论处理后得到的其动力学方程可简单表示为:Rp∞[AIBN]0.58.[AMPS]1.5[DMAEMA]0.5.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1智能材料的定义

1.2智能型水凝胶的研究现状

1.2.1智能型水凝胶的性质

1.2.2合成智能型水凝胶的常用单体及其制备方法

1.2.3响应不同环境刺激的水凝胶

1.2.4提高智能型水凝胶响应速度的途径

1.3智能型水凝胶的体积相变理论

1.3.1 Flory关于凝胶溶胀的理论

1.3.2 Dusek关于凝胶体积相变的理论

1.3.3离子化在凝胶相转变中的作用

1.4智能型水凝胶的应用

1.4.1药物的控制释放

1.4.2物质的富集与分离

1.4.3化学阀和化学膜

1.4.4人工肌肉

1.4.5调光材料

1.4.6化学机械器件

1.4.7组织培养

1.5课题的来源和研究意义

1.5.1课题的来源

1.5.2课题研究的目的和意义

1.5.3课题研究的主要内容

1.6本章小结

第二章AMPS/DMAEMA共聚水凝胶合成工艺的优化

2.1前言

2.1.1甲基丙烯酸-N，N-二甲氨基乙酯的性质和研究现状

2.1.2 2-丙烯酰胺基2-甲基丙磺酸的性质和研究现状

2.1.3 N-乙烯基吡咯烷酮的性质和研究现状

2.2实验部分

2.2.1试剂及仪器

2.2.2凝胶合成工艺的优化实验

2.2.3性能测试

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章AMPS/DMAEMA与AMPS/DMAEMA/NVP共聚水凝胶的合成、表征和性能研究

3.1实验部分

3.1.1仪器及试剂

3.1.2凝胶的合成

3.1.3性能测试

3.1.4物质的红外光谱(IR)表征

3.2结果与讨论

3.2.1物质的IR分析

3.2.2 AMPS/DMAEMA二元共聚水凝胶的性能研究

3.2.3 AMPS/DMAEMA/NVP三元共聚水凝胶的性能研究

3.3本章小结

第四章AMPS/DMAEMA/NVP共聚水凝胶的合成与电效应研究

4.1实验部分

4.1.1仪器及试剂

4.1.2凝胶的合成

4.1.3性能测试

4.2结果与讨论

4.2.1消溶胀动力学

4.2.2凝胶的电效应

4.3本章小结

第五章AMPS/DMAEMA共聚水凝胶响应速率的提高

5.1实验部分

5.1.1试剂及仪器

5.1.2凝胶的合成

5.1.3性能测试

5.2结果与讨论

5.2.1温度响应性

5.2.2 pH响应性

5.3本章小结

第六章AMPS/DMAEMA共聚动力学研究

6.1数据处理

6.2 AMPS/DMAEMA共聚动力学研究

6.2.1单体反应总级数的确定

6.2.2单体AMPS及DMAEMA分级数的确定

6.2.3引发剂反应级数的确定

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

独创性声明

致谢