智能高分子材料 劉心悅20420092201280

1、智能高分子凝膠簡介班級：09化學(xué)2班 姓名：劉心悅 學(xué)號：20420092201280摘要：智能高分子凝膠可以通過控制高分子凝膠網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)與形態(tài)，來影響 其溶脹或伸縮性能，從而使凝膠對外界刺激作出靈敏的響應(yīng)，表現(xiàn)出智能。關(guān)鍵詞：智能高分子材料高分子凝膠智能高分子材料智能高分子材料屬于智能材料(intelligentmaterial)的范疇。智能材料是 指對環(huán)境可感知、響應(yīng)，并且具有發(fā)現(xiàn)能力的新材料1。智能材料的研究與開 發(fā)正孕育著新一代的技術(shù)革新。智能材料包括金屬智能材料、無機(jī)非金屬智能材料和高分子智能材料，其中 高分子智能材料包括智能高分子凝膠、智能高分子復(fù)合材料和智能高分子膜材料 等，

2、目前研究最廣的是智能高分子凝膠。智能高分子凝膠高分子凝膠是由具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物與低分子介質(zhì)共同組成的 多元體系，其大分子主鏈或側(cè)鏈上含有離子解離性、極性或疏水性基團(tuán)，對溶劑 組分、溫度、pH值、光、電場、磁場等的變化能產(chǎn)生可逆的、不連續(xù)(或連續(xù)) 的體積變化，所以可以控制高分子凝膠網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)與形態(tài)，來影響其溶脹或 伸縮性能，從而使凝膠對外界刺激作出靈敏的響應(yīng)，表現(xiàn)出智能。智能凝膠的體積相變原理根據(jù)高分子凝膠溶脹及退溶脹的滲透壓公式，滲透壓由高分子鏈與溶劑的 相互作用、高分子鏈的橡膠彈性和高分子凝膠內(nèi)外離子濃度差構(gòu)成。當(dāng)這三者之 間達(dá)到平衡時(shí)，高分子凝膠呈平衡狀態(tài)。溫度、pH值、無

3、機(jī)鹽的濃度、溶劑的性 質(zhì)對溶脹平衡都有影響，在一定的外界刺激下，凝膠會因?yàn)槿芤盒再|(zhì)的微小變化 而引起極大的體積變化，即所謂的凝膠體積相變，這就是智能高分子凝膠對外界 刺激作出響應(yīng)的依據(jù)。智能高分子凝膠對各種外界刺激的響應(yīng)性1溶劑組成體積變化。也就是說，當(dāng)pH值發(fā)生變化時(shí)，水凝膠體積隨之變化?？紤]到國 外智能高分子材料均集中在合成聚合物(由均聚物、接枝或嵌段共聚物到共混物、 互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)及高分子微球等)，他將智能材料的研究開拓到具有凝膠相轉(zhuǎn)變 的天然高分子材料，特別是生物相容性良好而且可以生物降解的殼聚糖 (chitosan,CS )3溫敏性凝膠利用高分子與溶劑之何的相互作用力的變化、溶脹高分

4、子凝膠的大分子鏈的 線團(tuán)一球的轉(zhuǎn)變，使凝膠由溶脹狀態(tài)急劇地轉(zhuǎn)化為退溶脹狀態(tài)，從而高分子凝膠 表現(xiàn)出對溶劑組分變化的響應(yīng)，這類材料可由聚乙烯醇、聚丙烯酞胺等制成川。 如:聚丙烯酞胺(PAAM)纖維經(jīng)環(huán)化處理后除去未環(huán)化的部分以及未參加反應(yīng)的物 質(zhì)，干燥后即得到?八AM凝膠纖維。這種纖維在水中伸長，在丙酮中收縮，而且 其體積隨溶劑體系中丙酮含量的增加發(fā)生連續(xù)的收縮。如果在凝膠網(wǎng)絡(luò)中引人電 解質(zhì)離子成部分離子化凝膠，則在某一溶劑組成時(shí)產(chǎn)生不連續(xù)的體積變化。2 pH值響應(yīng)凝膠具有pH值響應(yīng)性的凝膠，一般均是通過交聯(lián)形成大分子網(wǎng)絡(luò)。凝膠中含有弱 酸和堿基團(tuán)，這些基團(tuán)在不同的pH值及離子強(qiáng)度的溶液中，響應(yīng)

5、的離子化，使凝 膠帶電荷，并使網(wǎng)絡(luò)中氫鍵斷裂，導(dǎo)致凝膠發(fā)生不連續(xù)的溫敏性凝膠,當(dāng)溫度升高時(shí)，疏水相相互作用增強(qiáng)，使凝膠收縮，而降低溫 度，疏水相間作用減弱使凝膠溶脹，既所謂的熱縮凝膠。例如，輕微交聯(lián)的N一 異丙基丙烯酞胺(NIPA )與丙烯酸鈉的共聚體。其中丙烯酸鈉是陰離子單體，其 加量對凝膠的溶脹比和熱收縮敏感溫度有明顯影響。陰離子單體含量增加，溶脹 比增加，熱收縮溫度提高。所以可以從陰離子單體的加量來調(diào)節(jié)溶脹比和熱收縮 溫度NIPA與甲基丙烯酸鈉共聚交聯(lián)體亦是一種性能優(yōu)良的陰離子型熱縮溫敏性 水凝膠。最近報(bào)道的以NIPA，丙烯酞胺一2一甲基丙磺酸鈉、N-(3-甲基胺)丙基 丙烯酞胺制得的兩

6、性水凝膠，其敏感溫度隨組成的變化在等物質(zhì)的量比時(shí)最低， 約為3590，而只要正離子或負(fù)離子的量增加，均會使敏感溫度上升。4電場響應(yīng)凝膠大部分凝膠的網(wǎng)絡(luò)上都帶有電荷。如果將一塊高吸水膨脹的水凝膠放在一對 電極之間，然后加上適當(dāng)?shù)闹绷麟妷?，凝膠將會收縮并放出水分。網(wǎng)絡(luò)上帶有正 電荷的凝膠，在電場作用下，水分從陽極放出，否則從陰極放出。如果將在電場 下收縮的凝膠放人水中，則會膨脹到原來的大小。凝膠的這種電收縮效應(yīng)，實(shí)際 上反映了一個(gè)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程。5光影響凝膠光響應(yīng)高分子凝膠的最大特點(diǎn)是響應(yīng)過程具有可逆性，離 開光的作用凝膠會恢復(fù)到原來的狀態(tài)。凝膠材料中含有感光性物質(zhì)，感光物質(zhì)吸收光能后導(dǎo)

7、致材料溫度、電場等環(huán) 境因素發(fā)生改變，進(jìn)而對某一環(huán)境因素作出響應(yīng)性。常用的感光性化合物有葉綠 酸、重銘酸鹽類、芳香族疊氮化合物與重氮化合物、芳香族硝基化合物和有機(jī)鹵 素化合物等。凝膠分子鏈上含有感光基團(tuán)后，感光基團(tuán)一旦吸收了光，在相應(yīng)波長光能作 用下就會引起電子躍遷而成為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的分子通過分子內(nèi)或分子間的 能量轉(zhuǎn)移發(fā)生異構(gòu)化作用，引起分子構(gòu)型的變化，促使材料內(nèi)部發(fā)生某些物理或 化學(xué)性質(zhì)的改變，進(jìn)而產(chǎn)生一定的響應(yīng)性。引人的感光基團(tuán)種類很多，主要有: 光二聚型感光基團(tuán)（如肉桂酸醋基）、重氮或疊氮感光基團(tuán)（如鄰偶氮醒磺酞基）、 丙烯酸酷基團(tuán)以及其他具有特種功能的感光基團(tuán)（如具有光色性、光催化性和光 導(dǎo)電性基團(tuán)等）。有些高分子凝膠體系中可同時(shí)含有多種對不同環(huán)境響應(yīng)因素有響應(yīng)性的組 分，在光的作用下，各種組分協(xié)同作用，使材料在宏觀上發(fā)生明顯改變，作出響 應(yīng)。此類光響應(yīng)凝膠材料可視用途不同而設(shè)計(jì)和改變組分與配方，從而拓寬光響 應(yīng)凝膠的品種。智能高分子的展望智能高分子材料的研究開發(fā)已取得了一定的進(jìn)展，但作為材料學(xué)科的前沿 課題，使其生產(chǎn)、加工、設(shè)備技術(shù)的提高仍有一定空間。有人預(yù)計(jì)，21世紀(jì)它將 向模糊高分子材料發(fā)展。智能高分子材料的研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。對其研究開發(fā)需要多學(xué)科協(xié)同進(jìn)行。我們期待著這一領(lǐng)域的全面發(fā)展。參考文獻(xiàn):【1】智能高分子凝聚的