[发明专利]一种快速响应的高强度聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种快速响应的高强度聚(N‑异丙基丙烯酰胺)水凝胶的制备方法。本发明采用双键功能化的聚(N‑异丙基丙烯酰胺)微凝胶作为“大交联点”取代传统的小分子交联剂，制备高强度快速响应的水凝胶。具体步骤是通过沉淀聚合制备结构均一的聚(N‑异丙基丙烯酰胺)微凝胶，然后通过酯化反应对微凝胶进行改性，接枝双键。最后将双键功能化的微凝胶、单体、引发剂、催化剂及去离子水混合，注入模具，合成块状的聚(N‑异丙基丙烯酰胺)水凝胶。本发明解决了传统的聚(N‑异丙基丙烯酰胺)水凝胶响应速率与力学性能不能兼顾的难题，样品性能优异，在生物驱动器领域具有良好的潜在应用前景。

技术领域

本发明涉及一种快速响应的高强度聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的制备方法，具体涉及一种以双键功能化微凝胶作为交联剂制备聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的方法。

背景技术

水凝胶是一种亲水的三维网络结构聚合物材料，吸水性强，但不溶于水。响应型水凝胶是指凝胶随着外界环境如温度、pH值、光、热、电场及磁场等改变而发生体积溶胀及收缩的一类材料。这类水凝胶材料由于其独特的响应性能，受到了生物医学领域研究者的广泛关注。聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶是一类具有温度响应性能的水凝胶材料，其相转变温度约为32℃左右，接近人体生理学环境温度。环境温度低于32℃时，凝胶表现出亲水性，在水中溶胀，体积增大。反之，当环境温度高于32℃时，分子结构中氢键被破坏，大量的结合水从水凝胶网络中流失，水凝胶体积收缩。传统小分子交联的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶响应速率慢，且力学性能弱，不利于其实际应用。

研究显示，水凝胶的响应速率与其体积大小线性成比例关系。凝胶尺寸越小，水分子出入凝胶时间越短，其响应速率越快。通过乳液聚合的方法可制备纳米级或微米级的聚(N-异丙基丙烯酰胺)微凝胶，与块状的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶相比，微凝胶的响应速率明显提高。但是微凝胶往往只能分散到液体介质中使用，应用范围有限。而大量的生物驱动器领域，如软机器人、人工肌肉及生物夹子等都需要使用宏观的块体响应性凝胶。

除了凝胶的响应速率，凝胶的力学性能在实际应用中也十分重要。传统的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶性脆，可操作性差，很难在生物驱动器领域广泛使用。与传统小分子交联的水凝胶相比，采用“大交联点”，如无机粘土、高分子微球、无机微球等，作为交联剂制备的水凝胶力学性能明显增加。

对聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶而言，非响应性的无机粘土、高分子微球等的引入，能有效提高凝胶的力学性能，同时也会降低凝胶的响应速率。如何在提高聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶力学性能的同时提高凝胶的响应速率是目前研究的难点之一。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种快速响应的高强度聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的制备方法。

本发明主要内容是采用双键功能化的聚(N-异丙基丙烯酰胺)微凝胶作为交联剂取代传统化学交联剂，制备响应速率快且力学性能优异的块状聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶，具体步骤是通过沉淀聚合制备结构均一的聚(N-异丙基丙烯酰胺)微凝胶，然后通过酯化反应对微凝胶进行改性，接枝双键。最后将双键功能化的微凝胶、单体、引发剂、催化剂及去离子水混合，注入模具，合成块状的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶。微凝胶作为“大交联点”制备聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶，凝胶网络结构均一，分子链到交联点的距离相同，凝胶在受到外力时不易发生破裂。此外，聚(N-异丙基丙烯酰胺)微凝胶尺寸小，响应快，作为聚(N-异丙基丙烯酰胺)块体水凝胶的交联点可有效提高凝胶的整体响应速率。

本发明方法的具体步骤是：

步骤(1).常温下，N-异丙基丙烯酰胺单体、引发剂、去离子水搅拌混合均匀，氮气鼓泡10～30分钟,得到均一透明液体。其中，N-异丙基丙烯酰胺单体的浓度为0.5～2.0mol/L，引发剂与N-异丙基丙烯酰胺单体摩尔比为0.1～0.5:100。

所述的引发剂为过硫酸钾或者过硫酸铵中的一种或者两种。