[发明专利]一种合成水凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种凝胶的制备方法，具体涉及一种合成水凝胶的方法。

背景技术

溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下相互连接，形成空间网络结构，结构中充满了作为分散介质的液体，这样一种特殊的分散体系称作凝胶。由于液体与高分子网络的亲和性，液体被高分子网络封闭在里面，失去了流动性，因此凝胶能像固体一样显示出一定的形状。凝胶在溶胀过程中，一方面溶剂力图渗入高聚物内使其体积膨胀，另一方面由于交联聚合物体积膨胀，使分子网受到应力而收缩，当这两种相反的倾向相互抗衡时，达到了溶胀平衡。高分子凝胶的溶胀行为与它的网络结构及网络所包含的液体的性质有密切联系，还与温度和压力有关，它们之间的定量关系可用Flory-Huggins渗透压公式导出。这种智能型凝胶受外部环境的刺激(如pH、离子强度、温度、电场、光)时体积会发生溶胀或收缩，这种体积变化是不连续的，利用这种刺激响应特性可将其作为传感器执行元件、开关和形状记忆的材料等，在航空、航天、农业、医药卫生及仿生工程等领域具有广泛的应用前景。

凝胶可分成2大类，即吸油性凝胶(不吸水)和水凝胶。现有的凝胶大多采用传统的自由基聚合方法合成，如溶液聚合、悬浮聚合、反相悬浮聚合等。这些方法的主要缺点是：由于常规自由基聚合的高聚合速率及反应过程中的热效应、链转移、链终止反应及自加速现象等，使得合成出的凝胶不能控制网络的交联密度和交联点间链段分子质量，交联点分布不均匀且难以控制，合成的高分子凝胶的结构均呈无定形状态，没有规整性，对外部环境的刺激反应迟钝，没有协同性，因此合成出的凝胶性能不理想，限制了其在材料合成中的应用。因此，如何用自由基聚合方法来合成指定结构的规整聚合物，并使其工业化是高分子界多年来的一大梦想。

原子转移自由基聚合(简称ATRP)是1995年提出的一种活性/可控自由基聚合方法。ATRP集普通自由基聚合与活性聚合于一体，而且与其他活性聚合相比，其适用的单体范围更广、分子设计能力更强，尤其是其聚合条件温和、工艺简单，这些是其他活性聚合所无法比拟的。因此ATRP是很有应用前景的活性/可控聚合技术，在聚合物分子设计中有广泛的前景，也有大量的文献报道用于合成凝胶。但该方法发展至今已有14个年头了仍然看不到工业化的迹象，分析其原因主要是由于现有ATRP聚合体系的一些缺点所致，例如：(1)在常规的ATRP体系中需要用到较大用量的过渡金属盐催化剂，该催化剂会残留在聚合物中而给聚合物带来污染，尽管有较多的文献报道除去聚合物中金属残留物的方法，但必然会引起工业成本的上升；(2)由于要用到低氧化态的过渡金属盐(如CuCl，FeCl₂)，易受潮和氧化，给保存和使用带来不便；(3)整个聚合体系事先要进行除氧，操作麻烦。为了克服常规ATRP的不足，又发展了另一种ATRP体系，即反向ATRP，该方法用通常条件下稳定的高氧化态的过渡金属盐(如CuCl₂，FeCl₃)代替低氧化态的过渡金属盐从而避免了常规ATRP的不足，但该方法必须使用更大用量的过渡金属盐并且由于使用了常规的自由基引发剂(如AIBN等)，使聚合反应过程不可避免地带来常规自由基引发聚合所带来的“副”产物而使最终聚合产物的末端功能化度降低，从而影响其“活性”。

因此，开发一种操作简单的合成水凝胶的方法，不仅可以进行水凝胶网络结构设计，合成网格大小可调控、网格结构可变化的水凝胶，而且避免催化剂的负面影响，为合成智能凝胶材料打下基础，具有显著的积极意义。