新型高强度智能水凝胶的研究进展

第36卷第3期2007年3月工技术与开发

T echno lo gy &D evelo p m ent o f Che m ical industr y

化

v o l. 36No. 3

M ar. 2007

综展进与述综新型高强度智能水凝胶的研究进展

马

驰1，陈尔凡1，张T v lad l kova 2，

东1，于

洋1

（辽宁沈阳110142；保加利亚索非亚）1. 沈阳化工学院，2. 索非亚化学冶金技术大学，

摘

要：智能型水凝胶是一类具有广泛应用前景的功能高分子材料，但是由于智能水凝胶的机械强度较低，很

大程度上限制了其应用，为此近年来许多科学家围绕这一课题开展了大量的研究工作。综述了3种具有不同增强机理的高强度智能水凝胶的研究进展。

关键词：水凝胶；高强度；机械性能；交联结构中图分类号：T@323. 8

文献标识码：A

文章编号：（1671-99052007）03-0012-04

水凝胶是溶胀有大量水分的聚合物网络。对于水凝胶来说，其含水量通常是其自身重量的50%以上，而且对于不同的可溶性分子，水凝胶具有不同的溶胀度。但是由于水凝胶的机械强度很低，使得其应用受到很大的限制。近年来，3种具有较好机械

性能的新型水凝胶被研制出来，它们是：拓扑结构凝，纳米结构凝胶（N anocom 胶（T o p o lo g ical g el TG ）-和互穿网络凝胶（D ouble net w ork g el p osite g el NC ）

［7］。本文将主要介绍这3种高强度水凝胶的研DN ）

究进展情况，并讨论其结构与机械性能之间的关系。

基所组成的，在聚轮烷的水溶液中" 环糊精是以化学交联的方式存在的。

8型交联环的滑动是拓扑结构凝胶区别于普通

化学凝胶和物理凝胶的一个最大特征，如图2。对于化学凝胶，拉力沿高分子链不均匀的分散，导致高分子链逐步发生断裂。而对于拓扑结构凝胶，由于而使拉力在高分子链上8型交联环可以相对滑动，能够均匀地分散，吸收大量拉应力，拉伸强度明显增大。而且与刚制备时相比，溶胀后的水凝胶膨胀度可达原来的500倍左右，说明此结构凝胶具有高吸水性和高拉伸强度。

1

拓扑结构凝胶

如图1所示，拓扑结构凝胶具有8型交联环，并

且这种交联可以沿高分子链自由滑动。聚轮烷凝胶就是拓扑结构凝胶的典型例子。这种聚轮烷是由聚乙烯醇和与其相联的" 环糊精以及" 环糊精的大端

图1

拓扑结构凝胶结构示意图

图2

（化学凝胶（拓扑结构凝胶a ）b ）

拉伸状态下化学凝胶与拓扑结构凝胶的对比模型

基金项目：科技部国际合作项目（；辽宁省教育厅科学基金项目（资助项目10-19B ）202213109）作者简介：马驰（，男（满族），辽宁沈阳人，助教，硕士，主要从事智能凝胶研究，1979-）E -m ail ：l g -365! 163.com 收稿日期：2006-12-20

第3期

马驰等：新型高强度智能水凝胶的研究进展

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2

纳米结构凝胶

对于纳米结构凝胶其典型的例子，就是以锂蒙

脱石为黏土模板，过硫酸铵做引发剂，所生成的聚异丙基丙烯酰胺。如图3所示，黏土模板在纳米结构凝胶中起的是多功能交联体的作用。根据要获得具有极好机械性能的H ara g uchi 等人的理论，

纳米结构凝胶必须具备以下2点：（必须是在黏土1）模板和异丙基丙烯酰胺的混合溶液中发生自由基聚合反应，而不是简单地将黏土模板添加到聚异丙基丙烯酰胺中。（必须使用离子型自由基引发剂，并2）且这种引发剂还必须能够吸附到黏土表面。

图4

（拉伸强度（弹性模量（断裂伸长率a ）b ）c ）

［8］纳米结构凝胶中黏土含量的变化对力学性能的影响

3

互穿网络凝胶

互穿网络凝胶是通过两步法来合成的。第一步

形成高度交联的刚性凝胶，第二步在先前形成的凝胶内部形成松散结构的交联网络。最典型的例子就是以PAM PS 为刚性网络，以PAAm 为松散网络所

形成的聚合物水凝胶。

图5是PAM PS ／PAAm ，PAM PS 和PAAm 水凝胶的应力-应变曲线。互穿网络凝胶的最大应力值达到了17. 2M Pa ，垂直应变达到了92%左右。动态激光散射分析显示，在这种互穿网络凝胶中除了具有快速凝胶模式，还存在一种缓慢凝胶模式。缓慢模式区域与快速模式区域的比例对机械强度的变

图3

纳米结构凝胶中有机／无机网络形成

过程的模拟示意图

化起着十分重要的作用，因此有人猜测正是这种不均匀结构使其具有很好的机械性能和环境相应性。

图4为不同黏土含量纳米结构凝胶的应力-应

变曲线，由图可知最大弹性模量能够达到2. 5M Pa 以上。H ara g uchi 等人认为有2个因素对提高拉伸强度起了十分重要的作用：（纳米结构凝胶的交联1）密度比较稳定。（被连接到同一黏土模板上的聚2）合物链能够协同地分散拉应力。黏土模板的旋转是这种高变形性纳米凝胶的一个基本特征，但其作用机理并不是十分清楚。

图5

PAM PS ／PAAm ，PAM PS 和PAAm 凝胶

的应力-应变曲线

不均匀的，而且由于特PAM PS 网络是刚性的、

殊的自由基反应机理，其内部存在巨大的空隙。当与PAM PS 网络PAAm 高分子链在其内部形成时，

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化工技术与开发

第36

卷

形成了一种互穿结构，并填补了PAM PS 凝胶内部的巨大空隙，与PAM PS 网络形成了部分的缠结。空隙中的松散交联的PAAm 凝胶能够通过其粘弹性，或通过PAAm 高分子链的巨大变形来有效地吸收裂缝附近的弹性能量，进而阻止宏观水平上裂缝的扩大。而且在生物动力学领域，可以发现很多利用不均匀性提高生物凝胶机械性能的实例，如动物的骨骼。互穿网络凝胶的性质说明提升水凝胶强度的有效方法是使这种不均匀性最优化，而不是要尽n ier J . D e la y ed fracture o f an i nhom o g eneous so ft so li d

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J ］. A dV M ater ，2UU2，14：112U-1124. p ro p erties ［

［7］G on g J P ，K atsu y a m a Y ，K uroka w a T ，o sada Y. D ou-un i C ue or g an ic

量减少这种结构。

图6PAM PS ／PAAm 互穿网络凝胶结构示意图

结语

拓扑结构凝胶、纳米结构凝胶和互穿网络凝胶

通过不同的方法来提升凝胶的强度，这3种新型凝胶为凝胶机械性能的提升探索出了不同的途径。广大研究者应致力于以下几个方面工作：

（1）加强基础研究，

尤其要深入探讨不同类型水凝胶的增强机理，为制备高强度智能水凝胶提供理论依据。

（2）深入研究凝胶结构与性能的关系，设计合理的网络结构，最大限度地优化智能水凝胶的综合性能。

（3）重视水凝胶应用性的研究，开发新的可工业化的智能水凝胶的制备方法。参考文献：

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reactions i n deter m i n i n g t he p o l y m er net w ork structure

and p ro p erties ：p o l y （N

-Vi n y li m i dazo le ）h y dro g e ls ［J ］. 4

［［［［

第3期

马驰等：新型高强度智能水凝胶的研究进展

15

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Research d evelo p m ent of Novel intelli g ent H y dro g el

w it h e xcellent m echanical pro p ert y

M A C Mi 1，CHEN E T-f an 1，T VLADLKOVA 2，ZHANG D On g 1， an g 1

（1. S hen y an g I nstitute o f Che m ical T echno lo gy ，S hen y an g 110142，Ch i na ；

2. S o fi j a U n ivers it y o f Che m ical T echno lo gy and M etallur gy ，S o fi j a B ul g aria ）

Abstract ：I ntelli g ent h y dro g els W ere a class o f f unctional p o l y m er m aterials Which coul d be used i n m an y a pp lica-tion fiel ds. ~oW ever ，t he m echanical p ro p ert y o f t he h y dro g els W as not enou g h t heref or t heir a pp lication W ere li m ited. M uch st ud y had done to i m p rove t he m echanical p erf or m ance o f h y dro g els i n recent y ears. T hree cate-it h excellent m echanical p ro p erties W ere revie W ed ，and t he diff erent enf orce g ories o f i ntelli g ent h y dro g els W

m echanis m s o f t he m W ere discussed i n detail .

K e y words ：h y dro g el ；hei g ht stren g t h ；m echanical p ro p ert y ；cross-li nki n g struct ure

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第11页）

S y nt hesis of fruct one-B

TANG jian

（S choo l o f E conom ics and M ana g e m ent ，Chon gg i n g N or m al U n ivers it y ，Chon gg i n g 400047，Ch i na ）

Abstract ：T he p ro p ert y ，arom a characteristic and a pp lication o f fructone-B W ere discussed. U si n g citric aci d as

catal y st ，fructone-B W as s y nt hesized b y t he condensed carbon y lation o f 1，2-p ro p anedio l and et h y l acetoacetate. T hrou g h t he ort ho g onal ex p eri m ent ，t he eff ect o f catal y st a m ount ，ra W m aterial ratio ，reaction ti m e on t he y ield o f p roduct W as i nvesti g ated. T he o p ti m u mconditions W ere f ound as f o lloW ed ：1，2-p ro p anedio l 180g ，et h y l ace-toacetate 250g ，citric aci d 5g ，benzene 220mL ，reaction ti m e 5h . T he y ield W as 60.6%. T he p urit y and p er-f u m e o f p roduct W ere satisf actor y . K e y words ：fructone-B ；s y nt hesis p erf u m e ；

""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （上接第32页）

S y nt hesis and A pp lication of 2-C y anoacr y lates

L I B O-C in g 1， ANG ZMOn g -cMun 2

（1. X i nchan g Phar m aceutical F actor y ，Zhe j ian g M ed ici ne C o. L td. ，X i nchan g 312500，Ch i na ；

2. S out hW est R esearch and d es i g n I nstitute o f Che m ical I ndustr y ，Chen g du 610225，Ch i na ）

Abstract ：T he s y nt hesis routes o f 2-c y anoacr y lates and its a pp lication W ere descri bed.

K e y words ：2-c y anoacr y lates ；s y nt hesis ；a pp lication

新型高强度智能水凝胶的研究进展

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

马驰， 陈尔凡， T VLADLKOVA， 张东， 于洋， MA Chi， CHEN Er-fan， T VLADLKOVA， ZHANG Dong， YU Yang

马驰,陈尔凡,张东,于洋,MA Chi,CHEN Er-fan,ZHANG Dong,YU Yang(沈阳化工学院,辽宁,沈阳,110142)， T VLADLKOVA,T VLADLKOVA(索非亚化学冶金技术大学,保加利亚,索非亚)化工技术与开发

TECHNOLOGY & DEVELOPMENT OF CHEMICAL INDUSTRY2007,36(3)

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gxhg200703005.aspx