基于氢键作用的热响应形状记忆水凝胶的制备与性能研究

发布时间：2018-12-25 12:14

【摘要】：形状记忆水凝胶(Shape Memory Hydrogel,简称SMH),是一类可以“记忆”永久形状,在一定条件下能够固定临时形状,最终再回到原始形状的智能多功能性水凝胶,结合了形状记忆材料的智能性和水凝胶的柔软性、生物相容性,在现在和未来的生物、医学等领域,有很大的发展空间。由于水凝胶高含水量的特性,在设计形状记忆时,更多借助于动态/可逆的共价键或者非共价化学,如疏水缔合作用、金属-配体作用、偶极-偶极作用、主客体作用、氢键等。本文中,我们主要利用氢键作用来设计并尝试制备形状记忆水凝胶。聚乙烯醇(PVA)分子含有很多羟基,本文首先通过单纯的化学交联制备聚乙烯醇水凝胶,尝试利用聚乙烯醇分子链间形成的氢键作为可逆相,制备聚乙烯醇形状记忆水凝胶并研究其形状记忆性能,结果发现并不能固定临时形状;之后将水凝胶通过“冷冻-解冻”,使分子链间形成的氢键数目变多,形成类似于结晶的“微晶”区,成功制备形状记忆水凝胶;利用壳聚糖通过简单的“一锅法”制备具有荧光性质的碳量子点溶液;探讨了交联剂浓度对水凝胶性能的影响;选择合适的交联剂浓度,将碳量子点和制备的水凝胶通过物理复合,得到具有发光性能的形状记忆水凝胶。该水凝胶在波长为365nm的紫外灯照射下有很强的荧光性能;聚乙烯醇质量分数为25%、冷冻时间为6h、交联剂浓度为0.25%时,形状记忆固定率(Rf)和回复率(Rr)都达到90%以上;“冷冻-解冻”的次数增加,水凝胶的固定率也随之增加。为获得更强的氢键相互作用,本文通过2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶酮(MIS)和甲基丙烯酸-2-氰基乙酯(ICEMA)的反应制备了2-脲基-4[1H]-嘧啶酮甲基丙烯酸甲酯(UPyMA);因UPyMA分子间能够形成很强的四重氢键作用,再将UPyMA、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA),通过自由基聚合,制备出热响应形状记忆水凝胶。通过傅里叶红外光谱仪(ATR-FTIR)、全数字化核磁共振波谱仪(1H-NMR)对2-脲基-4[1H]-嘧啶酮甲基丙烯酸甲酯(UPyMA)的结构进行了表征,证明2-脲基-4[1H]-嘧啶酮甲基丙烯酸甲酯(UPyMA)被成功制备;初步探讨了交联剂浓度对形状记忆性能的影响;在交联剂质量分数为4%时,详细讨论了UPyMA含量对水凝胶的含水量、机械强度、形状记忆性能的影响。UPyMA质量分数越大,含水量越低,当质量分数为50%时,含水量为50%;随着UPyMA含量的增加,氢键数目增加,固定率增加,当质量分数为50%时,固定率和回复率都在90%以上;同时讨论了温度对形状记忆固定率(Rf)和回复率(Rr)的影响,转变温度越高,固定率越高;变形温度一样时,固定温度越低,固定率越高。对热响应形状记忆材料来说,除了直接加热外,常用光照来诱导产热进而刺激形状回复。通过对水的紫外可见近红外分析,发现水在~1454nm出有一强吸收峰,定制对应波长(1467.6nm)的激光器,以水作为光热转换材料,通过激光照射诱导水产热进而刺激形状记忆水凝胶的形状回复。探讨了激光器功率对水凝胶温度的影响,对同一水凝胶,功率越大,相同时间内水凝胶温度上升越快;讨论了含水量对水凝胶温度的影响,对含不同质量分数(20%、30%、40%、50%)UPyMA的水凝胶来说,回复率为50%时,照射时间随UPyMA含量的增加而增加,分别为30s、50s、62s、87s;回复到原始形状所需时间随UPyMA含量的增加而增加,分别为60s、90s、105s、150s。
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【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O648.17

【参考文献】