CN103408693A - 一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法，包括：将水凝胶预聚液在0-50℃下聚合，聚合时间为1-48小时；所述的水凝胶预聚液的组分包括：共聚单体、交联剂、引发剂、催化剂和去离子水。本发明方法简单，成本较低，原料选择范围大，制得的温敏性水凝胶的三维网络结构均匀，力学性能优异，并且其响应温度可在25-90℃内精确调控，这类温敏性水凝胶在智能材料方面具有广阔的应用空间。
Description
技术领域
本发明属于温敏性水凝胶制备领域，特别涉及一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶是由亲水性高分子与溶剂水组成的具有三维网络交联结构的软湿性材料，吸收大量水后能引起聚合物网络宏观变化。水凝胶在宏观上具有固体不能流动的性质，而在微观上又有类似于溶液的行为，可以在水中溶胀，但不溶解。依据高分子水凝胶对外界环境刺激响应的情况，可将水凝胶分为传统水凝胶和智能水凝胶。传统水凝胶对外界环境刺激没有响应特性，仅存在溶胀行为，其体积随外界环境改变不发生变化。智能水凝胶能够对外界环境（如：温度、pH值、离子强度、光、电场和磁场等变化）的微小变化产生有效响应（如：相态、形状、光学性质、力学性能、反应速度、渗透速率和识别性能等变化）。其中，温敏性水凝胶在药物控制释放、生物传感器、记忆元件开关和化学阀门等领域有着诱人的应用前景。
温度敏感性水凝胶在某一特定环境温度下会发生体积相转变，该特定温度称为低临界溶解温度（Lower Critical Solution Temperature，LCST）。目前，关于温敏性水凝胶的研究多集中于几种特定聚合物，如聚(N-异丙基丙烯酰胺)、纤维素衍生物、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物、聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物等。中国专利CN1746199A、CN1328067A、CN101703805A和CN101353398A等公开了聚(N-异丙基丙烯酰胺)类的温敏性水凝胶的制备方法，都是利用聚(N-异丙基丙烯酰胺)的温度敏感特性来合成温敏性水凝胶，使得这类水凝胶随原料配方的变化，其低临界溶解温度仅能在30℃-40℃之间变化。中国专利CN1958074A公开了以聚(ε-己内酯-乙交酯)或聚(ε-己内酯-对二氧六环酮)为疏水链段和聚乙二醇为亲水链段组成的三嵌段共聚物，在35-45℃显示出可逆的温度响应行为。另外中国专利CN102146200A公开了以聚乙二醇/聚酯组成的具有两亲性的嵌段共聚物制备的交联凝胶颗粒，低临界溶解温度在5-60℃之间，并且合成方法较为复杂。
进一步随着水凝胶中温敏性聚合物含量降低，水凝胶的温度相应行为变得不明显。实现水凝胶的响应温度范围扩大或精确调控水凝胶的温度响应行为，可以拓展水凝胶在生物医学或智能器件领域的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法，该方法工艺简单，成本较低，原料选择范围大，得到的温敏性水凝胶在25-90℃具有精确可调的响应温度、响应行为明显。
本发明的一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法，包括：
将水凝胶预聚液在0-50℃下聚合，聚合时间为1-48小时；所述的水凝胶预聚液的组分包括：共聚单体、交联剂、引发剂、催化剂和去离子水，其中共聚单体的质量分数为1-50%，交联剂的质量分数为0.01-20%，引发剂的质量分数为0.01-1%，催化剂的质量分数为0.01-1%，其余为去离子水。
所述的共聚单体为2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯中的一种或两种。
所述的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、市售无机粘土锂皂石Laponite XLG、Laponite XLS中的一种或几种。其中市售无机锂皂石的化学通式为Mg5.34Li0.66Si8O20(OH)4Na0.66。
所述的引发剂为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁腈中的一种或几种。
所述的催化剂为N,N,N’,N’-四甲基乙二胺、硫代硫酸钠、三乙醇胺中的一种或几种。
所述的温敏性水凝胶的响应温度为25-90℃。
本发明制备的温敏性水凝胶，通过改变水凝胶预聚液中共聚单体含量、交联剂种类和含量，可以在25-90℃的范围内精确调控水凝胶的响应温度。
有益效果：
（1）本发明的工艺简单，原料来源广泛，成本较低，可适用于批量生产。
（2）本发明得到的温敏性水凝胶的三维网络结构均匀，力学性能优异，在25-90℃具有精确可调的响应温度、响应行为明显，克服传统温敏性水凝胶仅在30-40℃较窄区域有温度响应行为，具有较高的应用价值。
附图说明
图1分别为实施例1-6制备的水凝胶的透光率与温度的关系。
图2为实施例1制备的水凝胶其透光率与温度的关系。
图3为实施例2制备的水凝胶其透光率与温度的关系。
图4为实施例3制备的水凝胶其透光率与温度的关系。
图5为实施例4制备的水凝胶其透光率与温度的关系。
图6为实施例5制备的水凝胶其透光率与温度的关系。
图7为实施例6制备的水凝胶其透光率与温度的关系。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
在10g水中加入1.562g2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯，0.438g寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，0.5g市售无机粘土Laponite XLS，0.02g过硫酸钾，0.01gN,N,N’,N’-四甲基乙二胺得到透明的水凝胶预聚液；将水凝胶预聚液转移至光程为10mm的石英比色皿中，在20℃下反应24小时，得到温敏性水凝胶。得到结果如下：
水凝胶的响应温度为27.6℃，透光率随温度的变化如图2所示。
实施例2
在10g水中加入1.226g2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯，0.774g寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，0.5g市售无机粘土Laponite XLS，0.02g过硫酸钾，0.01gN,N,N’,N’-四甲基乙二胺得到透明的水凝胶预聚液；将水凝胶预聚液转移至光程为10mm的石英比色皿中，在20℃下反应24小时，得到温敏性水凝胶。得到结果如下：
水凝胶的响应温度为38.1℃，透光率随温度的变化如图3所示。
实施例3
在10g水中加入0.960g2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯，1.040g寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，0.5g市售无机粘土Laponite XLS，0.02g过硫酸钾，0.01gN,N,N’,N’-四甲基乙二胺得到透明的水凝胶预聚液；将水凝胶预聚液转移至光程为10mm的石英比色皿中，在20℃下反应24小时，得到温敏性水凝胶。得到结果如下：
水凝胶的响应温度为45.7℃，透光率随温度的变化如图4所示。
实施例4
在10g水中加入0.745g2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯，1.255g寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，0.5g市售无机粘土Laponite XLS，0.02g过硫酸钾，0.01gN,N,N’,N’-四甲基乙二胺得到透明的水凝胶预聚液；将水凝胶预聚液转移至光程为10mm的石英比色皿中，在20℃下反应24小时，得到温敏性水凝胶。得到结果如下：
水凝胶的响应温度为52.5℃，透光率随温度的变化如图5所示。
实施例5
在10g水中加入0.567g2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯，1.433g寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，0.5g市售无机粘土Laponite XLS，0.02g过硫酸钾，0.01gN,N,N’,N’-四甲基乙二胺得到透明的水凝胶预聚液；将水凝胶预聚液转移至光程为10mm的石英比色皿中，在20℃下反应24小时，得到温敏性水凝胶。得到结果如下：
水凝胶的响应温度为59.4℃，透光率随温度的变化如图6所示。
实施例6
在10g水中加入2g寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，0.5g市售无机粘土Laponite XLS，0.02g过硫酸钾，0.01gN,N,N’,N’-四甲基乙二胺得到透明的水凝胶预聚液；将水凝胶预聚液转移至光程为10mm的石英比色皿中，在20℃下反应24小时，得到温敏性水凝胶。得到结果如下：
水凝胶的响应温度为78.5℃，透光率随温度的变化如图7所示。
实施例7
在10g水中加入0.613g2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯，0.387g寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，0.02g聚乙二醇二丙烯酸酯，0.04g过硫酸铵，0.05g三乙醇胺得到透明的水凝胶预聚液；将水凝胶预聚液转移至光程为10mm的石英比色皿中，在30℃下反应12小时，得到温敏性水凝胶。得到结果如下：
水凝胶的响应温度为39.5℃。
实施例8
在10g水中加入1.920g2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯，2.080g寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，0.08g聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，0.05g过硫酸钠，0.1g硫代硫酸钠得到透明的水凝胶预聚液；将水凝胶预聚液转移至光程为10mm的石英比色皿中，在10℃下反应48小时，得到温敏性水凝胶。得到结果如下：
水凝胶的响应温度为48.2℃。
实施例9
在10g水中加入0.745g2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯，1.255g寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，0.04gN,N'-亚甲基双丙烯酰胺，0.05g偶氮二异丁腈，0.02g三乙醇胺得到透明的水凝胶预聚液；将水凝胶预聚液转移至光程为10mm的石英比色皿中，在20℃下反应24小时，得到温敏性水凝胶。得到结果如下：
水凝胶的响应温度为53.8℃。
Claims (6)
1.一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法，包括：
将水凝胶预聚液在0-50℃下聚合，聚合时间为1-48小时；所述的水凝胶预聚液的组分包括：共聚单体、交联剂、引发剂、催化剂和去离子水，其中共聚单体的质量分数为1-50%，交联剂的质量分数为0.01-20%，引发剂的质量分数为0.01-1%，催化剂的质量分数为0.01-1%，其余为去离子水。
2.根据权利要求1所述的一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的共聚单体为2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、无机粘土锂皂石Laponite XLG、Laponite XLS中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的引发剂为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁腈中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的催化剂为N,N,N’,N’-四甲基乙二胺、硫代硫酸钠、三乙醇胺中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种响应温度可调的温敏性水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的温敏性水凝胶的响应温度为25-90℃。
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