凝胶的应用与研究进展

凝胶的应用与研究进展

班级：应用化学10-2 姓名：陈某某学号：1011####### 摘要：凝胶是一类具有广泛应用前景的高分子材料，本文主要叙述了智能纳米水凝胶的应用研究进展、等离子体在制备碳凝胶材料研究方面的应用及研究进展、气凝胶研究领域取得新进展的应用及研究进展，简要介绍了水凝胶在国内外研究状况，并对其发展趋势作了展望。

关键词：凝胶；气凝胶；应用；进展

一、智能纳米水凝胶的应用研究进展

智能纳米水凝胶最早报道于上世纪八十年代初，当时未受到特别的重视。近十年来随着纳米科技、生物医学和智能材料的发展，智能纳米水凝胶显示出了诱人的应用前景，因此受到国内外的高度关注。

水凝胶是一类具有亲水基团，能被水溶胀但不溶于水的具有三维网络结构的聚合物。它在水中能够吸收大量的水分显著溶胀，并在显著溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。它能够感知外界刺激的微小变化，如温度、pH值、离子强度、电场、磁场等，并能够对刺激发生敏感性的响应，常通过体积的溶胀或收缩来实现。水凝胶的这一特点使它在生物医学领域、记忆元件开关、生物酶的固定、农业中的保水抗旱等方面有广泛的应用前景。

智能纳米水凝胶还有如下特点：（1）能分散在水介质中，形成稳定的胶体体系；（2）内部具有交联结构，稳定性比其它聚合物纳米粒子如聚合物胶束等的稳定性要高；（3）比表面积大，表面的功能基团可偶联有特定作用的组分；（4）含水量高，类似于生物组织，具有良好的生物相容性；（5）与其它纳米粒子一样，容易越过生物屏障；（6）由于智能水凝胶对外界刺激产生响应的速度与其尺寸大小成反比，因而智能纳米水凝胶对外界刺激产生响应的速度非常快。

智能纳米水凝胶作为药物输送载体，最引人关注的还是用于癌症治疗。智能纳米水凝胶的尺寸比血红细胞小得多，可以在血液中自由运动，因此可将智能纳米水凝胶的水分散液注入人体内，以检查体内出现病变的部位或器官，尤其是有望用于癌症的诊断。单分散性好的智能纳米水凝胶形成的胶体晶体能响应外界刺激或环境条件的变化衍射不同波长的光，因此适合用于生物传感器。有些智能纳米水凝胶的水分散液在受到外界刺激时，会发生所谓的“溶胶-凝胶”转变，体系由原来的低黏度流体变为有一定机械强度的水凝胶。智能纳米水凝胶还可作为催化剂的载体，反应物可进人纳米水凝胶内部，在催化剂的作用下发生化学反应，形成的产物可从纳米水凝胶中扩散出来。通过外界刺激或控制环境条件，可调节纳米水凝胶中催化剂的活性，进而控制反应速率。

二、等离子体在制备碳凝胶材料研究方面的应用及研究进展

中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所低温等离子体应用研究室王祥科研究员带领博士研究生吴西林等人与中国科学技术大学徐安武教授合作，利用水热方法制备出具有较力学、电学性能的碳凝胶。

研究人员利用水热方法，将生物质原料西瓜，直接转换成具有较力学性能的碳水凝胶和气凝胶，得到这种碳的三维的水凝胶和气凝胶具有较强的压缩性质和较好的亲水性。从微观结构上分析，这种三维碳材料是由亲水性的纳米碳纤维和纳米球组成的具有网状交联的多孔结构。这种交联的三维结构使得其内部具有很多空间，从而像海绵一样可以吸收大量的水分和吸附其它离子或者分子。将铁离子吸附在该水凝胶上，再通过煅烧，形成具有磁性的碳的气凝胶，其具有较好的电学性质，在超级电容器上具有潜在的应用价值。这种磁性碳气溶胶在电流密度为1 A/g的条件下，电容量为333.1 F/g。基于其具有良好的力学性质、生物相容性及廉价易制备等特点，使得该碳凝胶材料在吸附剂、催化剂载体、传感器、生物医药和污染物治理等领域具有广阔的应用

前景。

三、气凝胶研究领域取得新进展的应用及研究进展

气凝胶是目前已知的密度最低的合成材料之一，因其极小的表观密度和热导率，高的孔隙率和比表面积，引起了广泛的关注。然而，气凝胶的多孔结构和极低密度导致其力学强度差；此外，常用的超临界干燥法制备程序繁杂、周期长、产量低、成本高, 制约了气凝胶的实际应用。

在国家科技部、国家自然科学基金委的大力支持下，中科院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室的科研人员首次通过简便的真空干燥技术制备了弹性低密度有机-无机杂化气凝胶。

科研人员首先通过分子设计，以巯基-双键点击反应制备了含有硫醚链段的桥联倍半硅氧烷前驱体，柔顺的硫醚链段使得以该前躯体制备的湿凝胶具有良好的弹性，并可在室温下直接真空干燥得到气凝胶（如图所示），极大地简化了气凝胶的制备流程。经真空干燥得到的气凝胶完整保留了湿凝胶的初始尺寸，不仅具备传统方法制备的气凝胶的优良特性，还具有良好的弹性，可在30%形变下反复压缩多次而不产生永久变形；即使在乙醇或水溶液中再次浸泡、真空干燥，仍能够保持结构不变。这为通过简单的湿化学或物理浸渍方法对该气凝胶骨架表面进行功能化改性提供了可能，例如，将该气凝胶浸泡在聚乙烯亚胺（PEI）水溶液中，干燥后可在气凝胶骨架表面形成一层PEI涂层，得到二氧化碳吸附功能材料。

这种制备方法简便、性能优异、易于表面功能化的气凝胶材料对于拓展气凝胶的实际应用具有重要的意义。

气凝胶被认为是“改变世界的神奇材料”。它是优良的热绝缘体，能够隔绝极端温度；它又是“最佳海绵”，可以用来过滤污水。它是世界上最轻的物质之一，保温性、疏水性都特别好，可以被利用到宇航服、太阳能热水器、太阳能电池板、机舱隔热层、石油化工管道中。关于它的

制备，国内已经趋于成熟。

参考文献：

1.沈承武，房广星，张桂芳，等. 环境敏感性水凝胶的研究进展及其在给药系统中的应用

2.高艳，郝永科，张宏霞，等. 外用水凝胶研究进展

3.王秀琴;查刘生. 智能纳米水凝胶的应用研究进展

4.合肥物质科学研究院. 制备碳凝胶材料研究方面的新进展