一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法

技术领域

本发明涉及智能高分子材料技术领域，特别涉及一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法。

背景技术

水凝胶是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料，其在吸水溶胀后仍能够维持一定的形状与力学性能，具有良好的保水性、生物相容性，被广泛应用于农业、水处理、食品工业、生物医学等诸多领域。其中，智能水凝胶可响应外部环境变化（如温度、电磁场、`光、pH值、离子强度等）并发生相应的性能变化，在组织工程、伤口管理、软/微机器人、生物传感检测等方面具有广阔的应用前景。

温敏性水凝胶的刺激条件温和、响应行为易实现，因此吸引了学术界及工业界的广泛兴趣。以聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝胶为例，其低临界溶解温度（LCST）为32℃左右，可响应人体温度发生相变发生溶胀/收缩，带来力学性能、透明度等的诸多变化，已得到广泛研究与实际应用。

目前，随着多组分单体共聚、纳米复合增强、拓扑网络结构设计等策略的发展，温敏性水凝胶的力学性能、生物相容性持续提升，并在药物可控释放、智能光学部件等前沿领域不断取得应用突破，但常规的厘米级温敏性水凝胶仍存在响应时间过长的普遍缺陷，特别是在其水扩散动力学受限的溶胀过程中，平衡时间往往需要数小时。此外，现有温敏性水凝胶的响应过程伴随溶胀/收缩，体积尺寸变化显著，易导致水凝胶性能失效、结构失稳，限制其在受限空间中的精准使用。提升温敏性水凝胶的响应速率与尺寸稳定性已成为拓展其前沿应用的关键。

为此，本发明提出了一种尺寸稳定的快速温敏响应复合水凝胶及其制备方法，具有重要的现实意义与应用价值。

发明内容

本发明的目的在于解决上述背景技术中涉及到的问题，提供了一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法。这种方法制备的材料具有高尺寸稳定性，并且可快速响应温度改变自身透明度，同时，该制备方法合成路线短、工艺简单。

具体的，本发明采用以下技术方案进行：

一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

（1）将1.0-2.0g的纳米SiO

（2）将0.2-0.5g的MPS-SiO

（3）将PNIPAM接枝SiO

优选的，步骤（3）中PNIPAM接枝SiO

优选的，所述交联剂为N,N'－亚甲基双丙烯酰胺（MBAA），添加量按照与丙烯酰胺的摩尔质量比MBAA∶AM为0.002 ∶1。

优选的，所述引发剂为过硫酸铵（APS），添加量按照与丙烯酰胺的摩尔质量比APS∶AM为0.01∶1。

优选的，该制备方法包括以下步骤：

（1）将1.0g的纳米SiO

（2）将0.2 g MPS-SiO

（3）将PNIPAM接枝SiO

本发明制备的PAM复合水凝胶利用SiO

在温度响应过程中，PAM凝胶基体与PNIPAM层原位进行水分子

传递，省去了常规温敏性凝胶与外界物质交换的过程，故可实现对温度的快速响应。

在升温过程中，水凝胶迅速发生（＜5 s）由透明到不透明的可逆变化，使其在温敏检测/传感器件、智能光学器件中具有广泛的应用前景。

此外，水凝胶在温度响应过程中尺寸稳定，规避了凝胶器件因性能失效、结构失稳导致的潜在应用风险，进一步提升凝胶的应用性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

制备方法不涉及复杂设备，原料价格低廉、工艺过程简单易行；

制备得到的材料对温度变化响应迅速，凝胶透明度变化显著且尺寸形状始终稳定；

应用前景较好，有望在生物医学、柔性智能器件、智能光学部件中得到应用。

附图说明

图1为市售纯SiO

图2为本发明所制备PAM复合水凝胶的成胶过程。a中为AM溶液，b中为PAM凝胶。

图3为本发明实施例1所制得的PAM复合水凝胶。a中为常温下PAM凝胶，b中为加热后PAM凝胶。

图4为本发明制得PAM复合凝胶在温度响应前后紫外吸收光谱图。

图5为本发明制备PAM复合水凝胶的原理图。

图6为本发明制备的PAM复合水凝胶的力学性能测试图。

具体实施方式

现在将进一步细化代表性实施方案。应当理解，以下描述并非旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求限定的所述实施方案的实质和范围内的替代形式、修改形式和等同形式。

实施例1：一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶，制备过程如下：

（1）将1.0 g市售纳米SiO

（2）将0.2 g MPS-SiO

（3）将PNIPAM接枝SiO

（4）PAM复合水凝胶加热后其透明度发生显著变化，由半透明状（如图3 a）转变为完全不透明状（如图3 b）。凝胶温度响应前后紫外吸收光谱图（如图4）显示出两者在透光度上的巨大差异。添加不同含量PNIPAM接枝SiO

实施例2：一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶，制备过程如下：

（1）将1.0 g市售纳米SiO

（2）将0.2 g MPS-SiO

（3）将PNIPAM接枝SiO

实施例3：一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶，制备过程如下：

（1）将1.0 g市售纳米SiO

（2）将0.2 g MPS-SiO

（3）将PNIPAM接枝SiO

实施例4：一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶，制备过程如下：

（1）将1.0 g市售纳米SiO

（2）将0.2 g MPS-SiO

（3）将PNIPAM接枝SiO

实施例5：一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶，制备过程如下：

（1）将1.0 g市售纳米SiO

（2）将0.2 g MPS-SiO

（3）将PNIPAM接枝SiO

实施例6：一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶，制备过程如下：

（1）在2.0 mol/L丙烯酰胺（AM）溶液中加入交联剂和引发剂，交联剂N,N'－亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）添加量按照与丙烯酰胺的摩尔质量比MBAA∶AM为0.002 ∶1，引发剂过硫酸铵（APS）添加量按照与丙烯酰胺的摩尔质量比APS∶AM为0.01∶1，将混合溶液注入反应池中，于室温下反应24小时，制得聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶。

将上述各实施例制备的水凝胶产物进行性能测试。

主要为温度响应速度测试，测试的具体过程如下：

将PAM复合凝胶切成尺寸为10×10×2 mm小方块，将其完全浸入75 °C热水中，并立即开始计时，至凝胶呈现完全不透明状结束计时，以凝胶透明度转变所需时间来表示其响应速度；同时测量凝胶响应前后体积变化并记录，测试结果如下表1所示。

表1中体积变化率（R）由以下公式计算所得。

。

其中V

由表1可得，本发明所制备的PAM复合水凝胶材料均表现出快速温度响应和优异的尺寸稳定性。

对于本领域技术人员而言显而易见的是，在上述教导内容的基础，还能够进行一定的修改、组合和以及变型。