智能凝胶的制备及配方 摘要：高分子凝胶是由具有三维交联网络结构的聚合物与低分子介质共同组成的多元体系,其大分子主链或侧链上含有离子解离性、极性或疏水性基团,对溶剂组分、温度、pH值、光、电场、磁场等的变化能产生可逆的、不连续(或连续)的体积变化,所以可以通过控制高分子凝胶网络的微观结构与形态,来影响其溶胀或伸缩性能,从而使凝胶对外界刺激作出灵敏的响应,表现出智能。
1.概述： 水凝胶是一种柔软、湿润的网络结构材料，在仿生材料或生物医学材料领域有广泛的应用前景。但传统的水凝胶机械性能差，限制了其应用。目前，人们主要通过合成具有拓扑结构、双网络结构（DN gel）的水凝胶、或者采用纳米复合或 click技术来提高水凝胶的机械性能。本实验主要以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）为单体制备第一网络。以丙烯酰胺（AAM）为单体作为第二网络并均匀分散于第一网络中，并聚合成第二网络。以N，N '-亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）为交联剂，以过硫酸铵（APS）为引发剂，以去离子水作为溶剂进行反应，得到双网络水凝胶（DN凝胶）。分别考查了不同AAM含量以及不同引发剂用量DN凝胶的拉伸性能及溶胀性能。
2.实验材料 2.1实验药品 丙烯酰胺（AAM）； 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）； NN'-亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）； 过硫酸铵（APS）； 去离子水 ； 2.2实验仪器 REGER-300型微机控制万能材料试验机； HH-1 型电热恒温水浴锅（北京科伟永兴仪器有限公司）； ZD79-B真空干燥箱（北京兴争仪器设备厂）； FA1104A电子天平（上海精天电子仪器厂）； 其他：烧杯，玻璃片，表面皿，量筒，玻璃棒，滴管，镊 子，小刀，封口膜等。 3.实验过程 3.1 聚合物第一网络(PAMPS)系列 ①将一定量的水、精制AMPS 、过硫酸铵、N,N '-亚甲基双丙烯酰胺加入烧杯中，得到无色透明溶液。 ②将上述溶液，加入两片载玻片和橡胶隔层制成的模具中，密封。 ③将上述模具放入60℃水浴中加热，恒温下反应4个小时后，停止反应。即得无色透明凝胶。 ④出料时，将四组反应产物从玻片中取出。
表1 第一网络配方 交联剂（g） 去离子水（ml） 单体AMPS(g) 引发剂APS（g） 0.124 20 4.14 0.0456
3.2聚合物凝胶第二网络系列 ①将一定量的水、精制AAM 、过硫酸铵、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺加入烧杯中。 ②将第一网络水凝胶浸泡于第二网络预聚液中，放入0℃冰箱中冷藏，溶胀24个小时后，取出。
③压片：将溶胀后的凝胶，小刀裁剪成合适尺寸，放入载玻片橡胶隔层组成的模具中。 ④放入60℃水浴中加热，恒温下反应4-5个小时后，停止反应。即得互穿网络凝胶聚合物。
表2 第二网络配方 编号 单体AAM （g） 引发剂 (g) 交联剂 （g） 去离子水（ml） 1# 5.68 0.3684 0.124 80 2# 5.68 0.1842 0.124 80 3# 2.84 0.1842 0.124 80
3.3.1聚合物凝胶互穿网络系列 ①将上步中得到的两组智能凝胶分别放置编号第一片、第二片。 ②将第一片取出后直接测拉伸。
3.3.2聚合物凝胶互穿网络系列 ①第二片取出后放置于盛有去离子水的烧杯中。密封，至于常温下放置24个小时。 ②取出第二片，测拉伸。
3.4 凝胶在蒸馏水中的溶胀行为 ①将一片互穿网络凝胶裁剪成正方形小块。 ②将裁剪好的凝胶放入烘箱中烘干。不定时测其质量，待质量不再改变后取出。 ③放入盛有去离子水的烧杯中，密封。常温下放置半个小时。 ④取出称重。并记录。 ⑤放回水中继续常温下浸泡，半小时后取出称量，如此反复每半小时称量一次，直至四次后，每一小时称量一次，浸泡24小时后称重一最后次。
4．结果与讨论 4.1结果
图1. DN凝胶结构示意图 该图为双网络水凝胶，由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）作为单体，聚合形成第一网络凝胶，由丙烯酰胺（AAM）作为单体均匀扩散在第一网络凝胶中，并聚合形成第二网络凝胶。得到双网络水凝胶。
4.1.1 不同单体含量对拉伸的影响
浸泡前 表3 浸泡前不同AAM用量对拉伸强度的影响 编号 单体AAM（g） 引发剂APS （g） 交联剂用量 （g） 去离子水 （ml） 拉伸强度MPa 断裂伸长率 （%） 2# 5.68 0.1842 0.124 80 0.1357 99.56 3# 2.48 0.1842 0.124 80 0.1000 81.42 图2. 2#样浸泡前拉伸曲线 宽：7mm 厚：2mm 标距：20mm 载荷最大值：1.9 N 拉伸强度：1.9/2*7=0.1357 MPa 断裂伸长率： 23.894/24*100%=99.56%
图3. 3#样浸泡前拉伸曲线
宽：8mm 厚：2mm 标距：23mm 载荷最大值：1.6 N 拉伸强度：1.6/2*8=0.1 MPa 断裂伸长率： 18.726/23*100%=81.42%
在交联剂含量为0.124 g 引发剂含量为0.1842 g 去离子水含量为80ml情况下，单体用量为5.68g时，拉伸强度为100kPa。单体用量为2.48g时拉伸强度为135.7kPa，拉伸强度要好约为前者1.36倍。
浸泡后 表4 浸泡后不同AAM用量对拉伸强度的影响 编号 单体AAM（g） 引发剂APS （g） 交联剂用量 （g） 去离子水 （ml） 拉伸强度MPa 断裂伸长率 （%） 2# 5.68 0.1842 0.124 80 0.091 79.11 3# 2.48 0.1842 0.124 80 0.027 28.59 图4. 2#样浸泡后拉伸曲线 宽：8mm 厚：3mm 标距：24mm 载荷最大值：2.2 N 拉伸强度：2.2/3*8=0.091 MPa 断裂伸长率： 18.98767/24*100%=79.11%
图5. 3#样浸泡后拉伸曲线
宽：6mm 厚：3mm 标距：30mm 载荷最大值：0.45 N 拉伸强度：0.45/3*6=0.027 MPa 断裂伸长率： 8.576667/30*100%=28.59%
实验结果表明：在用水浸泡过之后，随着单体浓度的增加，凝胶拉伸强度有了明显的提高，从27kPa增加到91kPa,增加了3倍多，断裂伸长率由28.59%增加到79.11%。是因为单体浓度的增加，是的扩散在第一网络中的PAAM含量增加，为凝胶增韧效果更强。 4.1.2 不同引发剂含量对拉伸的影响
在交联剂含量为0.124 g 单体含量为5.68 g 去离子水含量为80ml情况下，引发剂含量为0.3684 g凝胶的拉伸性能好。
浸泡前 表5 浸泡前不同AAM用量对拉伸强度的影响 编号 单体AAM (g) 引发剂 (g) 交联剂 (g) 去离子水(ml) 拉伸强度MPa 断裂伸长率（%） 1# 5.68 0.3684 0.124 80 0.07 110.66 2# 5.68 0.1842 0.124 80 0.1357 99.56 图6. 1#样浸泡前拉伸曲线 宽：5mm 厚：2mm 标距：24mm 载荷最大值：0.7 N 拉伸强度：0.7/5*2=0.070 MPa 断裂伸长率： 26.55833/24*100%=110.66%
图7. 2#样浸泡前拉伸曲线
宽：7mm 厚：2mm 标距：20mm 载荷最大值：1.9 N 拉伸强度：1.9/2*7=0.1357 MPa 断裂伸长率： 23.894/24*100%=99.56% 当引发剂用量为0.3684g时，其断裂伸长率（110.66%）与引发剂用量为0.182g时的断裂伸长率（99.56%）相差不多，但是后者拉伸强度明显优于前者。
浸泡后 表6 浸泡后不同AAM用量对拉伸强度的影响 编号 单体AAM (g) 引发剂 (g) 交联剂 (g) 去离子水(ml) 拉伸强度MPa 断裂伸长率（%） 1# 5.68 0.3684 0.124 80 0.0356 62.29 2# 5.68 0.1842 0.124 80 0.091 79.11
图8. 1#样浸泡后拉伸曲线 宽：9mm 厚：2.5mm 标距：21mm 载荷最大值：0.8 N 拉伸强度：0.8/9*2.5=0.0356 MPa 断裂伸长率： 12.66033/21*100%=60.29% 图9. 2#样浸泡后拉伸曲线
宽：8mm 厚：3mm 标距：24mm 载荷最大值：2.2 N 拉伸强度：2.2/3*8=0.091 MPa 断裂伸长率： 18.98767/24*100%=79.11% 实验结果表明：在浸泡之后，随着引发剂用量的减少，凝胶的拉伸强度会明显提高，从之前的35.6kPa提高到91kPa,有将近3倍。
4.2 计算水凝胶的溶胀率 计算水凝胶的溶胀度( SR ): SR= [ (Wt- Wd ) /Wd ]×100%. 首先将水凝胶在去离子水中充分溶胀达到平衡, 然后随时间增加出现