水溶性Janus型POSS的制備及對PAAPAM水凝膠性能的影響

多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）是一類納米尺度的立方體雜化化合物，通常含有無機富硅核和有機官能團。在POSS結構中，研究最廣泛的是立方T8籠（R8Si8O12），其無機核心（Si8O12）的8個頂點都可以被有機官能團（R）功能化，有機官能團的數(shù)量與位置精確可控，具有強大的分子設計性，易得到所期望的特定分子結構的功能材料。POSS已經(jīng)被探索作為許多新的分子和雜化材料的通用前體，可以進行自由基聚合、Heck反應、硫醇click反應、Friedel-Crafts反應等。然而，目前使用的POSS化合物大多數(shù)含有單一種類取代基，難以兼顧可聚合性和水溶性，限制了其在柔性電子器件以及生物醫(yī)學領域的應用?；诖耍狙芯坷帽Ｑ醣嗝骟w低聚倍半硅氧烷（Acrylo-POSS）與3-巰基-1-丙烷磺酸鹽（MPS）之間的巰基點擊反應，制備了水溶性Janus型POSS單體（AS-POSS）。MPS的引入打破了初始POSS的對稱性，增加了POSS的水溶性。在AS-POSS單體中，不飽和基團和磺酸鹽基團的物質的量比可以通過巰基的投料比來調節(jié)。利用Janus型水溶性POSS的可聚合性，將AS-POSS與丙烯酸（PAA）和丙烯酰胺（PAM）共聚制備了AS-POSS/PAA/PAM水凝膠，AS-POSS的引入可提高水凝膠的溶脹度，增強水凝膠的韌性、抗壓縮性能、動態(tài)力學性能和離子電導率，有望應用于柔性傳感器、凝膠電解質和生物電極等領域。摘要：利用丙烯酰氧丙基多面體低聚倍半硅氧烷（Acrylo-POSS）和3-巰基-1-丙烷磺酸鹽（MPS）之間的巰基點擊反應，一步合成水溶性Janus型多面體低聚倍半硅氧烷（AS-POSS）。通過改變投料比可以調控AS-POSS的水溶性和雙鍵與磺酸鈉基團的物質的量比。將AS-POSS與丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）共聚制備了一系列不同AS-POSS含量的AS-POSS/PAA/PAM水凝膠，其中AS-POSS質量占單體總質量1%的AS-POSS/PAA/PAM水凝膠的平衡溶脹比為512.0，斷裂伸長率為1074%，壓縮強度為583kPa，屈服應變?yōu)?30%，均大于對照組以N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯(lián)劑的PAA/PAM水凝膠。結果表明，AS-POSS的引入顯著提高了水凝膠的溶脹度，明顯增強了水凝膠的韌性、抗壓縮性能和動態(tài)力學性能。AS-POSS/PAA/PAM水凝膠具有良好的導電性，離子電導率最高可達0.401S/m。結論本文設計并實現(xiàn)了不飽和Acrylo-POSS與MPS之間可控巰基點擊反應，打破了八官能團POSS的對稱性，得到了水溶性Janus型POSS單體（AS-POSS）。巰基點擊反應的高效率保證了AS-POSS結構和溶解度的有效調控，隨著MPS和Acrylo-POSS物質的量比的增加，AS-POSS在水中的溶解度由372g/L增大到1342g/L。通過1HNMR、29SiNMR和MALDI-TOFMS等對其結構進行了表征。將AS-POSS作為交聯(lián)劑與AA和AM共聚，所得AS-POSS/PAA/PAM水凝膠具有更為均勻的孔洞結構和高的平衡溶脹比，其中1%AS-POSS/PAA/PAM水凝膠的平衡溶脹比達到512.0，具有超吸水性。Janus型POSS的引入顯著提高了水凝膠的韌性、抗壓縮性能和動態(tài)力學性能，1%AS-POSS/PAA/PAM水凝膠的斷裂伸長率達到1074%，隨著AS-POSS用量的增加，水凝膠的屈服應變由