基于不同相互作用的形狀記憶水凝膠的設計和性能表征.pdf

1、目前智能材料的研究是一個熱門學科，形狀記憶材料便是智能材料中的一種。形狀記憶材料能夠在某一種或多種刺激環(huán)境（如pH、光照、氧化還原、電、磁場、溫度）中，外力作用下固定住某一臨時形狀，當再受到刺激時能夠恢復到原來的永久形狀。形狀記憶材料從最初的Ti-Ni為主體的形狀記憶金屬到各種塑料和橡膠類的形狀記憶聚合物，再到新興的形狀記憶水凝膠的形狀記憶材料發(fā)展。從形狀記憶材料的發(fā)展趨勢可以看出形狀記憶水凝膠綜合了形狀記憶聚合物和智能水凝膠的各種優(yōu)點

2、，創(chuàng)造了新的研究領域，挖掘出了在分子元器件、微型機器人、生物醫(yī)學等高新技術領域中巨大的應用潛力。但目前對于形狀記憶智能水凝膠的研究大部分還集中在通過疏水作用形成的熱響應性形狀記憶水凝膠，因此開發(fā)研究新型的熱響應型形狀記憶水凝膠、其它響應型形狀記憶水凝膠以及多種響應型水凝膠，以及拓展形狀記憶水凝膠的應用領域，成為未來的發(fā)展趨勢。另外，目前主要的形狀記憶水凝膠都是通過化學交聯固定水凝膠骨架，利用物理交聯來賦予水凝膠形狀記憶的功能。因為有化學

3、交聯的存在，水凝膠不能重復利用，對材料來說很浪費。
　　因此，綜合以上分析，本論文結合金屬離子與一些基團之間的配位交聯作用、疏水鏈段之間的疏水作用以及主客體相互作用，制備了幾種新型的形狀記憶水凝膠體系并進行機理和性能研究。具體研究內容如下:
　　(1)利用丙烯酰胺(AM)、異丙烯膦酸(IPPA)和大分子交聯劑聚乙二醇雙丙烯酸酯(PEGDA)合成了一種新型的水凝膠。該水凝膠中的磷酸根可以與三價鐵離子(Fe3+)配位交聯，通過氧

4、化還原反應使三價鐵離子還原為二價鐵離子(Fe2+)，從而破壞磷酸根與三價鐵離子之間的交聯作用。另外，通過加入絡合劑EDTA·2Na，用更強的絡合作用與磷酸根搶奪三價鐵離子，從而也使磷酸根和三價鐵離子之間的交聯破壞。通過兩種方式都可控制交聯和解交聯，從而使水凝膠具有兩種刺激響應性形狀記憶。我們利用流變儀對水凝膠的性能進行研究，對形狀記憶的原理和影響因素進行了分析。
　　(2)利用可聚合陽離子表面活性劑甲基丙烯酸二甲氨基乙酯溴代十六烷

5、(C16DMAEMA)、丙烯酰胺(AM)為單體進行膠束聚合，以甲叉雙丙烯酰胺(MBA)為化學交聯劑，與α-環(huán)糊精混合制備疏水改性聚丙烯酰胺水凝膠。其中利用主客體相互作用，將環(huán)糊精引入到疏水鏈段上，形成疏水鏈穿插多個環(huán)糊精的聚輪烷拓撲結構。XRD、固態(tài)13C-NMR、DSC等表征手段證明引入到疏水基團上的環(huán)糊精之間的氫鍵相互作用形成結晶區(qū)，并通過結晶區(qū)的熔融和結晶形成可使水凝膠實現熱響應形狀記憶功能。
　　(3)利用丙烯酰胺(AM)

6、、丙烯酸(AA)和疏水單體丙烯酸十八烷酯(C18)共聚合成了一種沒有化學交聯劑，而是通過疏水締合作用物理交聯的聚合物水凝膠，并通過加入三價鐵離子利用與水凝膠中羧基之間的配位絡合作用形成第二種物理交聯。該水凝膠體系中由于同時存在疏水相互作用和能與三價鐵離子配位絡合的相互作用，屬于由兩種物理交聯構成的水凝膠。利用疏水作用固定水凝膠的形狀，凝膠中的丙烯酸基團與三價鐵離子交聯，通過還原和絡合作用解交聯，從而實現水凝膠的形狀記憶功能，賦予水凝膠多