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响应性水凝胶是近年来国内外在功能高分子材料方面研究的一个重要领域,属于高吸水性材料。本文综述了响应性水凝胶材料的定义、分类、理论研究进展和应用研究进展情况。从提高水凝胶体系的退溶胀响应速率的角度,展开了本项研究。
首先,以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和丙烯酰胺(AAm)为原料,以聚乙二醇(PEG6000)为成孔剂,采用水溶液法合成多孔性聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺)(PAMA)水凝胶,研究了其溶胀性能和电场响应性能,考察了一定离子强度的盐溶液中的凝胶的退溶胀性能;其次,在添加成孔剂的基础上,从在高聚物链上引入羧基来提高水凝胶体系的响应速率的角度,以AMPS、AAM和衣康酸(IA)为原料,以PEG6000为成孔剂,采用水溶液法,用单因素实验合成了多孔性三元共聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/衣康酸(PAAI)响应性水凝胶材料,讨论了各组分因素对水凝胶体系响应性能的影响;用均匀实验设计合成了多孔性三元共聚PAAI树脂材料,并对样品在蒸馏水中的吸水速率、蒸馏水中的吸水倍率、0.15mol/LNaCl溶液中的吸液倍率进行了研究,对PAAI水凝胶材料在电场作用下、不同pH值溶液中以及不同价态阳离子溶液中的退溶胀进行了研究和探讨,得到综合性能较好的PAAI树脂材料;最后对PAAI树脂材料进行了红外光谱分析、微观结构分析和热失重分析。研究结果表明:
1、PAMA凝胶吸水倍率和吸水速率随其合成单体AMPS摩尔数增加而增大,有一定含量的AAm单体才能保证样品粘性不大且有合适的强度。有成孔剂PEG6000制孔的PAMA凝胶样品较未加成孔剂制孔的凝胶样品表现出较高的吸水速率和和吸水倍率,凝胶的电响应性能也得到提高。电场强度越大,溶液的离子强度越高,单体配比中AMPS的含量越高,凝胶样品的电响应速率越快。以凝胶的吸水倍率为基本指标对合成工艺的初步确定:引发剂为0.005mol/L,交联剂为0.008mol/L,AMPS 0.67mol/L,AAm 0.33mol/L,PEG60000.0067mol/L,时,可得到一种强度较好,吸水速度较快,响应性较快的PAMA水凝胶。
2、当各组分含量分别为AAm 0.25mol/L,IA 0.15mol/L,KPS 0.005mol/L,MBAA0.008mol/L,中和度50%,PEG6000 0.005mol/L,AMPS含量在0.4~0.8mol/L之间增加时,PAAI样品吸液倍率随AMPS含量增加而增大,吸水速率呈先变大后减小的趋势。AMPS含量为0.8mol/L时,样品在蒸馏水和0.15mol/LNaCl溶液中吸液倍率最高,但吸水速率较慢。AMPS含量为0.5mol/L时,样品吸水速率较快。
3、当各组分含量分别为AMPS 0.5mol/L,IA 0.15mol/L,KPS 0.005mol/L,MBAA0.008mol/L,中和度50%,PEG6000 0.005mol/L,AAm含量在0.2~0.6mol/L之间增加时,样品吸液倍率呈现先逐渐变大后逐渐减小的趋势,吸水速率有先变小后逐渐增大的趋势。
4、当各组分含量分别为AMPS 0.5mol/L,AAm 0.25mol/L,KPS 0.005mol/L,MBAA0.008mol/L,中和度50%,PEG6000 0.005mol/L,IA含量在0~0.2mol/L,之间增加时,样品吸液倍率总体呈缓慢增大的趋势,吸水速率在开始阶段不断增大,最后呈下降趋势。本组样品中,当IA含量分别为0.15mol/L,和0.2mol/L时,在电场作用下、偏酸性和偏碱性溶液中以及离子强度为0.15M的NaCl和AlCl3溶液中都表现出较快的退溶胀响应性。
5、各组分含量分别为AMPS 0.5mol/L,AAm 0.25mol/L,IA 0.15mol/L,MBAA0.008mol/L,中和度50%,PEG6000 0.005mol/L,引发剂KPS含量在0.003~0.011mol/L之间增大时,样品吸液倍率呈现先增大后逐渐减小的趋势,吸水速率总体表现为下降趋势。
6、各组分含量分别固定为AMPS 0.5mol/L,AAm 0.25mol/L,IA 0.15mol/L,KPS0.005mol/L,中和度50%,PEG6000 0.005mol/L,交联剂MBAA含量在0.004~0.012mol/L之间逐渐增加时,样品吸液倍率趋势总体上表现出先增大后缓慢降低的趋势,吸水速率有先减小后增大的趋势。
7、各组分含量分别固定为AMPS 0.5mol/L,AAm 0.25mol/L,IA 0.15mol/L,KPS0.005mol/L,MBAA 0.008mol/L,PEG6000 0.005mol/L,中和度在30~90%之间逐渐增大时,本组样品吸液倍率整体呈略下降趋势,吸水速率先是变化不大,后来随着中和度增大而急剧下降。
8、各组分含量分别固定为AMPS 0.5mol/L,AAm 0.25mol/L,IA 0.15mol/L,KPS0.005mol/L,MBAA 0.008mol/L,中和度50%,PEG6000含量在0.003~0.007mol/L之间增加时,本组样品吸液倍率先呈稍增加,后逐渐减小的趋势,吸水倍率整体上表现出先缓慢上升后降低的趋势。
9、通过均匀设计实验分析,得到具有较好响应性能且凝胶强度稍高的PAAI水凝胶样品,其配比为:AMPS 0.6mol/L,AAm 0.45mol/L,IA 0.24mol/L,中和度72%,PEG60000.0075mol/L,MBAA 0.005mol/L,KPS 0.008mol/L。样品性能特征如下:吸水速率较快,吸水倍率相对较大;pH值为8时,能在3min内失去吸水平衡状态时70%的水分;在0.15MAlCl3溶液中,能在3min内失去吸水平衡状态时至少85%的水分。
10、PAAI树脂材料中的PEG6000分子在用蒸馏水水洗过程中被洗脱,留下一定的孔洞空间,这样就会给凝胶的吸水、失水过程带来积极的影响;PAAI水凝胶材料之中有许多较大孔洞存在,并且孔洞比较均匀,有利于水分子和其他小分子的进出;PAAI树脂材料具有较好的热稳定性,可以适应较高的工作温度。