一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法

本发明涉及智能高分子材料，特别涉及一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法。

背景技术：

1、水凝胶是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料，其在吸水溶胀后仍能够维持一定的形状与力学性能，具有良好的保水性、生物相容性，被广泛应用于农业、水处理、食品工业、生物医学等诸多领域。其中，智能水凝胶可响应外部环境变化（如温度、电磁场、`光、ph值、离子强度等）并发生相应的性能变化，在组织工程、伤口管理、软/微机器人、生物传感检测等方面具有广阔的应用前景。

2、温敏性水凝胶的刺激条件温和、响应行为易实现，因此吸引了学术界及工业界的广泛兴趣。以聚（n-异丙基丙烯酰胺）（pnipam）水凝胶为例，其低临界溶解温度（lcst）为32℃左右，可响应人体温度发生相变发生溶胀/收缩，带来力学性能、透明度等的诸多变化，已得到广泛研究与实际应用。

3、目前，随着多组分单体共聚、纳米复合增强、拓扑网络结构设计等策略的发展，温敏性水凝胶的力学性能、生物相容性持续提升，并在药物可控释放、智能光学部件等前沿领域不断取得应用突破，但常规的厘米级温敏性水凝胶仍存在响应时间过长的普遍缺陷，特别是在其水扩散动力学受限的溶胀过程中，平衡时间往往需要数小时。此外，现有温敏性水凝胶的响应过程伴随溶胀/收缩，体积尺寸变化显著，易导致水凝胶性能失效、结构失稳，限制其在受限空间中的精准使用。提升温敏性水凝胶的响应速率与尺寸稳定性已成为拓展其前沿应用的关键。

4、为此，本发明提出了一种尺寸稳定的快速温敏响应复合水凝胶及其制备方法，具有重要的现实意义与应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述背景技术中涉及到的问题，提供了一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法。这种方法制备的材料具有高尺寸稳定性，并且可快速响应温度改变自身透明度，同时，该制备方法合成路线短、工艺简单。

2、具体的，本发明采用以下技术方案进行：

3、一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）将1.0-2.0g的纳米sio2分散于70-100 ml乙醇中，然后加入0.5-1.0 ml甲基丙烯酰丙基三甲氧基硅烷（mps），于30-40℃下反应5小时，离心洗净后冻干，得到mps-sio2纳米微球；

5、（2）将0.2-0.5g的mps-sio2纳米微球与1.0-3.0 g的 n-异丙基丙烯酰胺（nipam）溶于100 ml去离子水中进行共聚，共聚完成后离心纯化，洗涤冻干后得到聚n-异丙基丙烯酰胺（pnipam）接枝sio2纳米微球；

6、（3）将pnipam接枝sio2纳米微球添加到浓度为2.0-4.0 mol/l的丙烯酰胺（am）溶液中混合均匀，pnipam接枝sio2纳米微球的添加量为丙烯酰胺质量的10-30%；然后，在体系中加入交联剂和引发剂，于室温下反应24小时，制备得到快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶。

7、优选的，步骤（3）中pnipam接枝sio2纳米微球的添加量为am质量的25-30 %。

8、优选的，所述交联剂为n,n'－亚甲基双丙烯酰胺（mbaa），添加量按照与丙烯酰胺的摩尔质量比mbaa∶am为0.002 ∶1。

9、优选的，所述引发剂为过硫酸铵（aps），添加量按照与丙烯酰胺的摩尔质量比aps∶am为0.01∶1。

10、优选的，该制备方法包括以下步骤：

11、（1）将1.0g的纳米sio2分散于70ml乙醇中，加入0.53ml甲基丙烯酰丙基三甲氧基硅烷（mps），30℃下反应5小时，离心洗净后冻干，得到mps-sio2纳米微球；

12、（2）将0.2 g mps-sio2纳米微球与1.0-3.0 g n-异丙基丙烯酰胺（nipam）溶于100ml去离子水中共聚，离心纯化，洗涤冻干后得到聚n-异丙基丙烯酰胺（pnipam）接枝sio2纳米微球；

13、（3）将pnipam接枝sio2纳米微球加到2.0 mol/l丙烯酰胺（am）溶液中混合均匀，pnipam接枝sio2纳米微球按质量计为丙烯酰胺的30%，然后加入n,n'－亚甲基双丙烯酰胺（mbaa）交联剂和过硫酸铵（aps）引发剂，于室温下反应24小时，制得聚丙烯酰胺（pam）复合水凝胶。

14、本发明制备的pam复合水凝胶利用sio2纳米粒子的增强性，显著提升自身机械性能；同时sio2纳米粒子表面pnipam层的可逆相变实现复合凝胶的温度响应。

15、在温度响应过程中，pam凝胶基体与pnipam层原位进行水分子

16、传递，省去了常规温敏性凝胶与外界物质交换的过程，故可实现对温度的快速响应。

17、在升温过程中，水凝胶迅速发生（＜5 s）由透明到不透明的可逆变化，使其在温敏检测/传感器件、智能光学器件中具有广泛的应用前景。

18、此外，水凝胶在温度响应过程中尺寸稳定，规避了凝胶器件因性能失效、结构失稳导致的潜在应用风险，进一步提升凝胶的应用性能。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、制备方法不涉及复杂设备，原料价格低廉、工艺过程简单易行；

21、制备得到的材料对温度变化响应迅速，凝胶透明度变化显著且尺寸形状始终稳定；

22、应用前景较好，有望在生物医学、柔性智能器件、智能光学部件中得到应用。

技术特征：

1.一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中pnipam接枝sio2纳米微球的添加量为am质量的25-30 %。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述交联剂为n,n'－亚甲基双丙烯酰胺（mbaa），添加量按照与丙烯酰胺的摩尔质量比mbaa∶am为0.002 ∶1。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵（aps），添加量按照与丙烯酰胺的摩尔质量比aps∶am为0.01∶1。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及智能高分子材料技术领域，特别涉及一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法。该方法首先通过纳米SiO<subgt;2</subgt;与甲基丙烯酰丙基三甲氧基硅烷制备MPS‑SiO<subgt;2</subgt;纳米微球；然后与N‑异丙基丙烯酰胺共聚得到N‑异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）接枝SiO<subgt;2</subgt;纳米微球；然后与丙烯酰胺反应得到聚丙烯酰胺复合水凝胶。该方法制备方法不涉及复杂设备，原料价格低廉、工艺过程简单易行；制备得到的材料对温度变化响应迅速，凝胶透明度变化显著且尺寸形状始终稳定。

技术研发人员：钱晨,余浩,隆湘,傅雅琴
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13