[发明专利]一种具有二氧化碳响应性的形状记忆抗撕裂水凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种水凝胶及制备方法，更具体地说，涉及一种2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、N,N-二甲基丙烯酰胺共聚物(PVDT-co-PDMA)水凝胶及其制备方法，具有高强度、抗撕裂、CO₂响应性以及形状记忆功能。

背景技术

水凝胶是以水为分散介质，亲水性而又不溶于水的且能够吸收大量水分(通常含水量大于总质量的50％)具有交联结构的高分子聚合物材料。环境敏感型水凝胶或者智能水凝胶指的是在受到外界环境的变化时(如pH值，温度，光，电，磁场，生物分子等)其体积以及力学性能会发生相应的变化。智能水凝胶被广泛的开发用于生物医药材料，软湿驱动器以及药物载体。然而，传统的环境敏感型水凝胶的力学性能很弱很脆，典型水凝胶的撕裂能在10^-1-100J/m²。尽管近来对于获得高强度智能水凝胶具有很大进展，但是获得具有抗撕裂的环境敏感型水凝胶仍旧是一项挑战。

为了提高凝胶的抗撕裂能力，科学家们通过研究认为得到抗撕裂水凝胶必须满足两个条件：1.在凝胶受到撕裂作用时，需要有可以分散能量的机制；2.凝胶在变形时，需要有保持原有构型的能力。通过此可以得出一种提高凝胶的抗撕裂强度的方法，即通过在凝胶网络中引入易断裂的牺牲网络或者可逆的弱物理交联网络来提高凝胶的抗撕裂能力。2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪(VDT)，由于其聚合物分子链中氨基之间的强烈分子内及分子间的氢键作用使其在高强度塑料中得到广泛应用。但强烈的氢键作用使水分子很难进入到交联的纯聚2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪网络中，从而凝胶的含水量极低。所以，传统意义上2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪并不常用于水凝胶的制备。N,N-二甲基丙烯酰胺由于其分子间的弱氢键作用，使得其对于材料具有很好的的增韧作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种以2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪为主体的水凝胶，具体为2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、N,N-二甲基丙烯酰胺共聚物(PVDT-co-PVDT)，该共聚物除表现出水凝胶的固有特性，还具有很强的抗拉伸和抗压缩能力，优异的抗撕裂性、CO₂刺激响应性以及形状记忆功能。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种具有二氧化碳响应性的形状记忆抗撕裂水凝胶，由2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、N,N-二甲基丙烯酰胺和交联剂通过自由基聚合共聚而成，所述交联剂分子的分子链两端带有碳碳双键、分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构即(CH₂CH₂O)n。

制备本发明水凝胶的方法，按照下述步骤进行：

将2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、N,N-二甲基丙烯酰胺、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、N,N-二甲基丙烯酰胺和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出具有形状记忆功能的高强度水凝胶。

在本发明的技术方案中，以2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪和N,N-二甲基丙烯酰胺作为共聚单体，以交联剂交联共聚单体，交联剂分子的分子链两端带有双键、分子链中间为“氧-碳-碳-氧”单键相连的骨架结构(即聚乙二醇分子的主链结构，(CH2CH2O)n)，采用热源或者光源使引发剂提供自由基，再由自由基引发2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、N,N-二甲基丙烯酰胺和交联剂(如不同数均分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯，Mn为2000—6000)中的双键，使三者几乎同时引发，发生聚合反应，最终制备的水凝胶材料中，具有聚2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、N,N-二甲基丙烯酰胺和交联剂三种物质的链段，其中2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪提供骨架中的刚性性能，N,N-二甲基丙烯酰胺提供骨架中的韧性性能，交联剂中的聚乙二醇结构提供柔性链段，上述三部分协同作用，使整个水凝胶材料体现出高强度、抗撕裂和形状记忆功能。