[发明专利]水凝胶纤维及其制备

说明书

技术领域

本发明提供了一种聚合物纤维和聚合物光纤(POF)，其中所 述聚合物为水凝胶。本发明还提供了一种制备吸水性和高吸水性丙烯 酸酯聚合物纤维和聚合物光纤的工艺，并且提供了根据本发明的工艺 制备的封装、生物可降解、可再生和功能性水凝胶纤维和水凝胶光纤。

发明背景

现代纤维业是大型企业并且纤维可用于多种应用。聚合物纤维 占世界纤维市场中最大的部分并且用于制备纺织材料、无纺材料、无 纺布，如抹布、尿布、工业服装、医疗卫生服装或过滤服装。

吸水性聚合物或水凝胶是亲水性、不溶于水的聚合物链的大分 子网络，具有借助于带电粒子的氢键结合或水合吸收水状流体的能 力。聚合物基体如果可以吸收多于其原始重量的20％的水，则被称为 水凝胶。与水介质接触，水凝胶膨胀到一定程度，这主要由水凝胶网 络交联密度、聚合物的电荷等决定。聚合物链间的交联形成三维网络 并且防止聚合物无限膨胀，即溶解。交联可以通过共价键，或静电、 疏水性或偶极-偶极相互作用形成。这是由于网络的弹性回缩力引起， 并且伴随有链的熵下降，因为它们从其最初卷曲状态变得更硬。亲水 性是由于沿着聚合物链的亲水性基团，如羟基、羧基、酰胺和磺酸基 的存在引起。

高吸水剂是极轻微交联并且可以吸收和保持大量水(高达其自 身重量的500倍)的水凝胶。早期的高吸水剂由化学改性淀粉和纤维 素及其它聚合物如聚(乙烯醇)PVA、聚(环氧乙烷)PEO制成，其全部 为亲水性并且对水具有高亲和力。

为了确保聚合物基体更高的水膨胀率，其往往由带电单体，如 之后可以中和的丙烯酸钠制成。

由于水凝胶最初成功用于隐形眼镜中，水凝胶应用流传甚广。

目前水凝胶在组织工程学中用作支架，其中它们可容纳要修复 缺损组织的细胞。环境敏感型水凝胶可以感测pH、温度或代谢产浓 度的变化，所以由于此类变化，它们可以释放其负载。对特定分子(例 如葡萄糖或抗原)起反应的水凝胶可以用作生物传感器和用作生物活 性剂和农业化学品的控释递送系统。

大多数已知的水凝胶和吸水性纤维由亲水性合成单体(例如丙 烯酰胺、丙烯腈)和改性天然聚合物网络(例如纤维素)制成。水凝 胶纤维(包括高吸水性纤维)通过溶剂或溶液聚合法制成。

期望光纤对环境影响不敏感以便确保用于通信目的的光信号波 导不受干扰。通常光纤具有两层保护涂层，包层和护套层，以便使其 对环境不敏感。由于其吸水，水凝胶对温度、压力和pH高度敏感。 由于其对环境影响的高度敏感性，基于水凝胶的光纤可用作高度敏感 性探测器，用于感测光信号中的特定干扰。

通常，通过常规工艺制备的水凝胶由于缺乏均匀性而具有相当 高的散射，这导致水凝胶的外观为乳白色。制备水凝胶纤维的常规工 艺需要多个步骤并且获得的纤维以不同方式进一步处理以便具有膨 胀能力。预计此类工艺会产生不大可能用作光纤的非均匀性纤维。

越来越多的环境问题和正在进行的减少挥发性有机化合物排放 的立法已经成为过去30年开发辐射固化涂料之后的主要动力。辐射 固化，包括紫外线(UV-固化)和电子束(EB)固化技术，由于和其 它传统的固化方法相比，是提高生产率的清洁绿色技术，现在越来越 多地用于各种应用中。这种技术现一般用于进行保护涂层、清漆、印 刷油墨和粘合剂的快速干燥，并且用于产生微电路和印刷板制造中所 需的高清晰度图像。因此，辐射固化可用于聚合，提供快速化学反应、 空间分辨率、环境温度操作、无溶剂制剂和低能耗。

紫外线固化油墨、涂层、粘合剂、硅酮并且尤其是涂层提供了 在大多数应用的成功中极为重要的突出物理化学性质。在柔版印刷业 中已经成功地采用紫外线固化十几年，因为与基于溶剂或水的油墨系 统相比，其提供了突出的印刷质量。

与纤维相关的UV固化技术的应用之一是光学玻璃纤维的UV 涂层。通常在此类纤维上涂覆两层UV涂层：内部软涂层和外部硬涂 层。常常此类涂层着色，以便区分不同类型的玻璃纤维。尽管着色， UV涂层线也具有巨大的产量，允许玻璃以高速，通常为约35m/秒 (2100m/min)的两级涂层。

美国专利3,940,542描述了一种基于聚氨酯化学生产水凝胶纤 维的方法。描述的工艺为两步法。首先使用苯作为溶剂生产聚氨酯预 聚物，接着向苯-己烷浴中使用湿纺法生产纤维。在这个专利中广泛 使用了溶剂。