智能高分子与高分子凝胶_刘莉

继续教育文章编号:1002-1124(2003)02-0026-03 智能高分子与高分子凝胶刘　莉1,张微微1,李青山2,周和亮2(11齐齐哈尔齐塑塑料制品有限公司,黑龙江齐齐哈尔161000;21齐齐哈尔大学化学与化工学院材料系,黑龙江齐齐哈尔　161006) 摘　要:简述智能高分子材料,并进行了详细分类。

从合成及其加工设备、新产品开发、设计方案、应用前景等诸方面详细的阐述了智能高分子凝胶。

关键词:智能材料;智能高分子;高分子材料;凝胶;智能中图分类号:T O 42712+6 文献标识码:AI ntelligent polymer m aterials and memorizing polymer hydrogel LI U Li 1,ZH ANG Wei -wei 1,LI Qing -shan 2,ZH OU He -liang 2(11P lastic Products Qisu C om pany Qiqihar ,Qiqihar 161000,China ;21Qiqihar University Institute of Chem ical and Chem ical Engineering ,Qiqihar 161006,China ) Abstract :Introduce the development of intelligent m olymer material in this paper.And introduce mem orizing poly 2mer hydrogen from several im portences ,eg :the technology of synthety ,machine.The trend of functional polymer mate 2rials in the future was prospected in the last.K ey w ords :intelligent material ;intelligent polymer material ;polymer material ;intelligentization ;polymer hydrogen收稿日期:2003-02-24作者简介:刘莉(1968-),女,工程师,2000年毕业于齐齐哈尔大学,现从事生产技术管理工作。

智能高分子材料又称智能聚合物、机敏性聚合物、、环境敏感型聚合物,是一种能感觉周围环境变化,而且针对环境的变化能采取响应对策的高分子材料。

外界环境刺激因素有:温度、压力、声波、离子、电场、溶剂和磁场等,对这些刺激因素产生有效响应的智能高分子自身性质,如相、形状、光学、力学、电场、表面积、反应速度和识别性能等随之变化。

它是通过分子设计和有机合成的方法使有机材料本身具有生物所赋予的高级功能。

如自修与自增功能,认识与鉴别功能,刺激与响应功能等。

其研究涉及众多的基础理论研究,有很多的成果已在高科技、高附加值产业中得到了应用,已成为高分子材料的重要发展方向之一[1～4]。

1　智能材料和智能高分子的分类[5,6]智能材料的概念起源于20世纪80年代,智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体,形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料。

智能材料分类见表1。

表1智能材料的分类按材料的种类金属类智能材料非金属类智能材料高分子类智能材料智能复合材料按材料的来源天然智能材料合成智能材料按材料的应用领域建筑用智能材料工业用智能材料军用智能材料医用智能材料航天用智能材料按材料的功能半导体;压电体;电致流变体按电子结构和化学键金属;陶瓷;聚合物;复合材料111　智能高分子凝胶这是一种三维高分子网络和溶剂组成体系。

这类高分子凝胶材料可随环境的变化而产生可逆的、非连续的体积变化。

高分子凝胶的溶胀收缩循环可用于化学阀、吸附分离、传感器和记忆材料;循环提供的动力可用来设计“化学发动机”;网孔的可控性可以适用于药物释放体系。

112　形状记忆高分子材料形状记忆高分子材料是利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射交联或化学交联后具有记忆效应的一类新型智能高分子材料。

医疗上,形态记忆高分Sum 95N o 12 化学工程师Chem ical Engineer 2003年04月子树脂可代替传统的石膏绷带,具有生物降解性的形状记忆高分子材料可做医用组合缝合器材、止血钳等。

航空上,被用来做机翼的震动控制。

利用高分子材料的形状记忆材料可制备出热收缩空管和热收缩膜等。

113　智能织物这类织物具有可逆收缩,干时恢复到原始尺寸,湿态收缩率可达35%。

可用来传感/执行系统、微型马达及生物医用压力与压缩装置。

如压力绷带,它在血液中收缩,在伤口上所产生的压力有止血的作用,绷带干燥时压力消除。

目前,分子纳米技术与计算机、检侧器、微米或纳米机器的结合,又使织物的智能水平提高一大步。

114　智能高分子膜用高分子凝胶制成的膜能实现可逆变形,也能承受一定的压力。

它的智能化是通过膜的组成、结构和形态来实现的。

现在研究的智能高分子膜主要是起到“化学阀”的作用。

但是目前,对于化学阀功能的高分子膜应用范围还比较窄,尚有依赖于新材料领域研究的开发。

115　智能高分子复合材料新的高分子复合材料具有自愈合、自应变等功能。

在航空领域,美国正在研究用复合材料做成的“贴在机翼上”的“智能皮”,以取代起飞、转向、降落所必须的尾翼和各襟翼。

在建筑方面,利用复合材料的自诊断、自调节、自修复功能,可用来快速检测环境温度、湿度,取代温控线路和保护线路。

2　智能高分子凝胶2.1　高分子凝胶及智能凝胶高分子在凝胶上的应用是智能高分子的又一智能表现。

生物体的大部分是由柔软而又含有水的物质———凝胶组成的。

简言之,凝胶是液体和高分子网络所构成,由于液体和高分子网络的柔和性,液体被高分子网络封闭,失去流动性。

正如生物体一样,用凝胶材料构成的仿生系统也能感知周围环境的变化,并做出响应,因此,该领域的探索引起了人们的高度重视。

凝胶按不同的分类方法有以下几种分法:按来源分为天然凝胶和合成凝胶;按高分子网络所含液体分为水凝胶和有机凝胶;按高分子的交联方式分为化学凝胶和物理凝胶。

在这些凝胶中水凝胶是最常用的一种。

所谓的智能凝胶是指在外界的条件刺激下,如pH值、温度、光、电场、离子强度、溶剂组成等外界条件的刺激下,发生膨胀与收缩,这种膨胀有时能达到几十倍乃至几百倍、几千倍,这就是智能凝胶,既高分子凝胶。

它是三维高分子网络与溶剂组成的体系。

2.2　高分子凝胶的特点和现有类型最大的特点是高分子凝胶的体积是不连续的,特定情况下发生体积相变化。

已研制出的几种新型的凝胶:①温敏凝胶———随温度变化的凝胶;②pH敏凝胶———随pH值变化的凝胶;③盐敏凝胶———随盐浓度变化的凝胶;④光敏凝胶———随光强度变化的凝胶;此外,还有形状记忆凝胶、电场响应凝胶等。

213　各种刺激响应水凝胶21311　pH值响应凝胶具有pH值响应性的凝胶,一般均是通过交联形成大分子网络。

凝胶中含有弱酸和碱基团,这些基团在不同的pH值及离子强度的溶液中,响应的离子化,使凝胶带电荷,并使网络中氢键断裂,导致凝胶发生不连续的体积变化。

也就是说,当pH值发生变化时,水凝胶体积随之变化。

考虑到国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、互穿聚合物网络及高分子微球等),他们将智能材料的研究开拓到具有凝胶相转变的天然高分子材料,特别是生物相容性良好而且可以生物降解的壳聚糖(chitosan,CS)。

21312　温敏性凝胶温敏性凝胶,当温度升高时,疏水相相互作用增强,使凝胶收缩,而降低温度,疏水相间作用减弱,使凝胶溶胀,既所谓的热缩凝胶。

例如,轻微交联的N -异丙基丙烯酰胺(NIPA)与丙烯酸钠的共聚体。

其中,丙烯酸钠是阴离子单体,其加量对凝胶的溶胀比和热收缩敏感温度有明显影响。

阴离子单体含量增加,溶胀比增加,热收缩温度提高。

所以可以从阴离子单体的加量来调节溶胀比和热收缩温度。

NIPA与甲基丙烯酸钠共聚交联体亦是一种性能优良的阴离子型热缩温敏性水凝胶。

最近报道的以NIPA、丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠、N-(3-二甲基胺)丙基丙烯酰胺制得的两性水凝胶,其敏感温度随组成的变化在等物质的量比时最低,约为35℃,而只要正离子或负离子的量增加,均会使敏感温度上升。

鉴于温敏水凝胶及pH敏水凝胶的各自不同特点。

H offman等研究了同时具有温度和pH双重敏感特性的水凝胶。

最近卓仁禧等利用互穿聚合物网络的方法得到了这种具有双重敏感特性的水凝胶,所得水凝胶与传统的温度敏感水凝胶的“热缩型”溶胀性能恰好相反,属“热胀型”水凝胶。

这种特性对于水凝胶的应用,尤其是在药物的控制释放领域中的应用具有较重要的意义。

以pH敏感的聚丙烯酸网络为基础,与另一具有温度敏感的聚合物PNIPA构成IPN网络,实验结果表明,在酸性条件下,随着温度的升高,IPN水凝胶的溶胀率(SR)也逐渐上升。

这是因为在酸性条件下,温度较低时,PAAC网络中的高分子链中羟基(—C OOH)之间存在氢键的作用。

使整个网络中的PAAC高分子链互相缠绕,成收缩状态,而随着温度的上升,这种氢键的作用被削弱,缠绕的PAAC高分子链逐渐解开后分散到水溶液中,近而导致整个网络的溶胀率也随之上升;另一方面,PNIPA+网络中的高分子链会因温度上升而疏水作用增强,产生收缩,促使整个水凝胶的溶胀率下降,这两种作用相互抵消,最终IPN水凝胶表现为随着温度的上升而溶胀率也逐渐上升,形成“热胀型”温度敏感特性。

在弱酸性条件下,水凝胶的SR远大于酸性条件下的SR,这主要是因为弱酸条件下,PAAC的高分子链中存在大量的羧酸根(-C OO-)。

他们之间的静电斥力导致高分子链的扩散,从而大大提高了凝胶的SR。

21313　电场响应凝胶大部分凝胶的网络上都带有电荷。

如果将一块高吸水膨胀的水凝胶放在一对电极之间,然后加上适当的直流电压,凝胶将会收缩并放出水分。

网络上带有正电荷的凝胶,在电场作用下,水分从阳极放出,否则从阴极放出。

如果将在电场下收缩的凝胶放入水中,则会膨胀到原来的大小。

凝胶的这种电收缩效应,实际上反映了一个将电能转换为机械能的过程。

214　智能凝胶的设计[1～11]将一些具有特殊效应或功能的基团等接枝到聚合物的侧链或聚合物的一端或两端上,是构成智能聚合物的基本思想。

一般来说,人工合成的高分子凝胶的构造均成无定型态,没有规则,对外部环境的刺激反映迟钝,没有协同性。

与此相反,许多生物高分子材料即含有水分又具有很巧妙的程序构造,对外部的刺激反映快、效率高。

人工合成构造规则的智能胶,是赋予凝胶的智能基础。

在高分子链上导入具有结晶能力的功能基。