多孔水凝胶研究进展.pdf

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化工.进展
1578
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
2009年第28卷第9期
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进展与述评
多孔水凝胶研究进展
何明,尹国强,王品
(仲恺农业工程学院绿色化工研究所,广东广州51025)
摘要:综述了近年来国内外多孔水凝胶的研究现状和进展,指出多孔结构的引入极大地提高了水凝胶的吸水速
卒和吸水倍率,从而能很好地应用于制备环境敏感性水凝胶。着重对多孔水凝胶的制备方法进行了总结评述,对
比分析了发泡法、致孔法、相分离法以及前线聚合法制备多孔水凝胶的优势和不足。
关鍵词:水凝胶;多孔结构;环境敏感
中图分类号:TQ568文献标识码:A文章编号:1000-613(2009)09-1578-05
Progress of porous hydrogels
HE Ming, YN Guoqiang, WANG Pin
(Institute of Green Chemical Engineering, Zhongkai University of Agricultural and Engineering, Guangzhou 510225
Guangdong, China)
Abstract: The current status and progress of porous hydrogels are summarized. The introduction of
porous structure greatly enhance the swelling rate and equilibrium absorbency of hydrogels, which can
be applied to the preparation of hydrogels with environmental sensitivity. The preparation methods for
porous hydrogels are presented and their advantages and shortcomings are discussed, such as the
foaming technique, the porogenic technique, the phase separation technique and the front
polymerization method etc
Key words: hydrogel; porous structure; environmental sensitive
水凝胶( hydrogels)是一种有亲水性但不溶于过程。吸水前,高分子网络呈紧束状态,当高聚物
水的高分子聚合物。它们在水中可迅速溶胀至一平与水接触时,像大多数吸水材料一样,如木材、棉
衡体积而仍能保持其形状和三维空间网络结构,并花、海绵等,通过毛细管吸附和扩散等物理作用吸
在一定的条件下脱水退溶胀,是一类集吸水、保水、附部分水,由于其初始阶段的吸水是一种物理过程,
缓释于一体并且发展迅速的功能高分子材料。因其作用较弱,水分子的扩散速度慢,因而初始阶段的
独特的吸水、保水及仿生特性,水凝胶被广泛应用吸水速率很低。
于工业、农业、医药和生物工程材料等领域
多孔水凝胶的出现很好地解决了以上问题。在
近年来,越来越多的科学工作者开始致力于提水凝胶中引入孔状结构,一方面通过毛细管作用可
高水凝胶吸水速率的研究,以满足快速止血材料、以使水迅速进入凝胶内部;另ー方面,水凝胶中的
药物控释等方面的特殊需要。因此,多孔水凝胶以孔状结构大大增加了凝胶内部的比表面积,使得更
其独特的吸水性能开始慢慢进入人们的视线
多的亲水基团可以迅速地与水分子接触,因而进
1多孔水凝胶的特点
收稿日期:2009-02-25:修改稿日期:2009-03-20。
1,1吸水特点
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20776164)
第一作者简介:何明(1984),男,硕士研究生,研究方向为功能
水凝胶的吸水过程实际上是聚合物网络膨胀的高分子材料。电话00-3417271:1E-mailheming1026@163.com
第9期
何明等:多孔水凝胶研究进展
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步促进了凝胶吸水速率的提高。 Kabiri等的研究等的研究,水凝胶膨胀或收缩达到平衡所需的时
表明,通过控制交联剂的用量可以得到理想的孔状间与水凝胶的线形尺寸的平方呈正比,即xsR2D,
结构,从而大大缩短了凝胶达到溶胀平衡的时间。其中为水凝胶膨胀和收缩的特征时间,R为水凝
除此之外,多孔结构的形成在一定程度上能使胶的线形尺寸,D为水凝胶的协同扩散系数。对传
凝胶拥有更大的空间吸收更多的水,所以还能有效统水凝胶而言,D值一般为10~10~°cm27s'?。因
地提高凝胶的吸水倍率。 Bajpai等的研究表明,以此,普通方法合成的水凝胶都有响应速率慢的缺点
NAHCO3为致孔剂制备多孔AA/AM水凝胶,当
基于普通水凝胶的以上缺陷,多孔结构的引入
NAHCO3的用量从23.8×102 mmol/L提高到对提高凝胶的响应速率显得尤为重要。多孔水凝胶
71.4×10-2 mmo/L时,可以使凝胶的吸水率提高由于其充满孔洞的内部和表面的特殊结构,能通过
1068%~8087%
毛细管作用减小水的渗透阻力,大大地提高了水凝
1.2形态特点
胶的协同扩散系数D值,从而能使凝胶在感知刺激
凝胶的表面形态直接影响它的溶胀能力及溶胀后快速完成膨胀或收缩?。
速率。扫描电镜(SEM)是研究树脂表面形态和
制备敏感性水凝胶的难点在于提高凝胶的收缩
表征凝胶微观结构的重要方法?。通过SEM可以观速率。这是因为水凝胶的收缩是从表面开始逐渐向
察到,普通水凝胶的表面一般光滑而紧密,而多孔内部进行的,水凝胶失水收缩后在水凝胶的表面形
水凝胶的表面则布满了密密麻麻的孔6?。如图1成疏水的致密层,阻止了水凝胶内部水的排出,因
所示?,随着孔密度的增加,孔的形态也由不连续此收缩速率很慢。但是,引入孔洞结构后,遍布于
的闭孔逐渐变为相互贯穿的开孔。正是凝胶中这些其整个结构内外的永久性物理孔洞破坏了这一“屏
大小不一、形态各异的孔为水的进出提供了通道,障”,水凝胶中的水可以通过孔洞透过表面致密层
从而大大提高了凝胶的吸水速率。
排出,因此水凝胶的响应速率明显增加。
由此可以看出,将多孔水凝胶的致孔技术应用
于敏感性水凝胶的制各,可以极大地改善凝胶的响
应速率,进一步拓宽其应用领域19-1?。
2多孔水凝胶的制备
2.1发泡法
130 ui
发泡法是指通过在聚合体系中加入发泡剂来形
成多孔的方法。根据发泡原理的不同,发泡剂可以
分为两种,一种是能与反应单体发生化学反应生成
气体,这样,随着聚合反应的进行,反应体系变得
越来越黏稠,气体的溢出受到阻得,从而形成泡状
结构生成多孔。另一种则是一些低沸点的有机溶剂,
如丙、乙醇等,随着聚合体系温度的升高,当到
达其沸点后,有机溶剂蒸发成气体放出,同样形成
(d)
泡状结构生成多孔
图1 PNIPA的SEM图?
Gemeinhart等以碳酸氢钠为致孔剂在玻璃管
CaCO3的用量:a-0:b-0.2moML;c-0.6molL;d-1.0mol