[发明专利]一种具有电场响应性能的高分子凝胶纤维材料的制备方法及其产品

说明书

技术领域

本发明涉及智能型高分子材料技术，具体为一种由聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(PAMPS)和聚乙烯醇(PVA)的互穿共混物通过湿法纺丝工艺制成的电场响应高分子凝胶纤维材料及其制备方法技术。属于功能高分子领域。

背景技术

聚电解质凝胶是由化学交联的带可电离基团的三维高分子网络和溶液组成的多元体系。交联聚电解质凝胶是一类电刺激敏感的材料。由于电场能使这类材料发生溶胀或收缩及形变，在药物控释、执行元件、透膜渗透控制和能量转化等方面有着广泛的应用前景，因而引起了科学家们的关注。国际知名凝胶研究专家、日本北海道大学的長田義仁教授利用凝胶成功研制了称为“Gel Looper”的人工爬虫，在世界上首次使用凝胶材料人工实现了动物一样柔软的动作。它是利用电解质凝胶与表面活性剂的静电相互作用，在电场下吸附与脱吸附从而使凝胶发生收缩与膨胀而产生弯曲。对于高分子电解质凝胶，通过静电相互作用能够吸附带相反电荷的离子而发生体积变化。其在电场刺激下也会产生收缩、变形，并能在电场控制下吸收或释放所吸附的对离子。

AMPS是丙烯酰胺烷基磺酸衍生物，分子式为：

从分子结构看，可以认为AMPS是丙烯酰胺分子上酰胺基上的一个氢原子被烷基磺酸分子所取代。这样，酰胺基团为临近二个甲基所屏蔽，不能接受外来分子作用，使酰胺基受到保护，提高了它的热稳定性，特别是在水溶液中不易发生水解反应；酰胺基上的氢也不能与外界极性基团形成氢键。但酰胺基上C＝O基团，因氧原子的电子密集，负电性很强，使它具有很大的吸附作用。烷基取代分子上的SO₃H基团，电荷密度高，水化性强，使2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸具有良好的水溶性，因而被广泛用于纤维工业、石油工业、水处理剂工业、水泥工业、涂料工业、造纸工业等领域。由等离子诱发聚合的丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸电解质凝胶，可以吸收超过自身2000倍以上的水分而不溶于水，凝胶的这种性质是其它材料所不具备的。

早在40多年前，Flory[Flory P J.Principles of Polymer Chemistry.Ithaca，New York：Cornell University Press，1953]就研究了PAMPS凝胶的溶胀现象。70年代末，由于Tanaka等人(童真，高分子通报[J]，1993，(2)：91.)发现了PAMPS凝胶的体积相变现象促进了该领域的发展。近10年来，PAMPS凝胶的体积相变理论在应用方面取得很大的进步。80年代初，Tanaka[Tanaka T，Fillmore J，Sun S-T，etal.Phys RevLett，1980，45：1636]等人用水-丙酮混合溶液来溶胀部分水解的PAMPS凝胶，发现随混合溶液组成的变化，平衡溶胀体积出现了不连续的变化，并定义为体积相变。通过对高分子网络进行分子设计和改变溶胀的外界条件，可以实现对体积相变的控制，研制出用于药物控释、生物传感器、化学发动机、人工肌肉等方面的功能材料。

AMPS共聚物在生物医学材料领域的应用研究工作还较少。只是近年来，这方面的工作得到了较快的发展。研究表明，PAMPS凝胶含水量很高，但是凝胶强度很低，在操作过程中很容易破碎。这是限制其应用的最重要的原因之一。相反，聚合物纤维材料由于在结构上存在较高的取向和结晶，具备较好的机械性能，同时，纤维材料和许多生物组织在形式上存在相似之处，如动物的肌肉组织等，结合两者的优点理论上将可以大大提高智能凝胶的力学性能和应用价值。许多研究学者对此进行了探索。如美国新墨西哥大学的Schreyer(M.Shahinpoor，K.J.Kim，M.Mojarrad，Taylor & Francis Press.NewYork，ch.1(2007).)等人用PAN镀铂凝胶纤维做电极，挤压力超过天然肌肉。交替地加入酸和碱，该纤维发生可逆的收缩和溶胀，将化学能转化为机械能。长度变化约为80％，而收缩响应时间不到2s。目前，美国新墨西哥大学正在用该材料开发电子肌肉式直接心脏辅助装置。

国内的毛丽江(L.J.Mao，Y.J.Hu，Y.S.Piao，X.D.Chen，W.S.Xian andD.X.Piao，Curr Appl Phys.5(2005)，426.)等通过表面接枝的方法将PAN接枝在壳聚糖的纤维上，然后对接枝的PAN进行水解，制备了人工肌肉，该人工肌肉在甲醇溶液中在20s-30s内就能发生收缩，在水中不到10s就能发生膨胀。毛等还将纤维制成了织物并研究了其响应性能。