pH敏感水凝胶的制备与性能研究

pH敏感水凝胶的制备与性能研究东华理工大学毕业设计（论文）摘要摘要由于其对环境响应的特性及在药物输送、化学分离、传感器、催化等方面的潜在应用，环境响应性水凝胶一直深受科研工作者的青睐。本文以丙烯酸(AA)为单体、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂，采用自由基本体聚合方法制备具有pH敏感特性聚丙烯酸(PAA)水凝胶。讨论了交联剂用量、促进剂用量、引发剂配比、反应温度等因素对水凝胶合成的影响，并详细研究了该水凝胶的pH响应特性。在此基础上，探讨了水凝胶对亚甲基蓝污水的吸附作用。实验表明：较佳合成条件为0.2gMBA、0.3mL促进剂、引发剂配比为0.6:1（亚硫酸氢钠/过硫酸铵），反应温度50°C；且形成的水凝胶具有明显的pH敏感特性，当溶液的pH为14时，其溶胀比可高达自身重量的10倍；实验中还发现该凝胶对亚甲基蓝溶液表现出良好的吸附效果。关键词：水凝胶；聚丙烯酸；pH敏感东华理工大学毕业设计（论文）abstractABSTRACTThestimuli-responsivehydrogelscontinuedtodrawattentionduetotheirspecificpropertiesandpotentialapplicationsinfields,includingdrugdelivery,chemicalseparations,sensors,andcatalysis.Inthispaper,pH-sensitivepolyacrylicacid(PAA)hydrogelsweresynthetizedusingacrylicacidasmonomerandN,N'-Methylene-bisacrylamide(MBA)ascrosslinkingagentbytheradicalpolymerizationinbulk.Thefactorsofthecrosslinkerandacceleratordosage,ratioofinitiator,reactiontemperaturewerediscussedonthesynthesisofhydrogels,andthenthepH-responsiveperformanceoftheabovehydrogelswerestudiedatthedifferentpHsolutionindetail.Furthermoretheadsorptionpropertiesofhydrogelswereexaminedonthestimulativesewagecontainingthemethyleneblue.Theresultsshowedthattheoptimumreactionconditionswere0.2gMBA,0.3mLaccelerator,ratioofinitiator0.6:1(sodiumbisulfite/ammoniumpersulfate),temperature50℃respectively.TheobtainedhydrogelhadtheobviouspH-sensitiveproperties,whenthesolutionwas14,theswellingratio(SR)couldrunupto10,andthehydrogelsalsohadtheadsorbabilityofthemethylenebluesolution.Keywords:hydrogel;polyacrylicacid;pH-sensitive东华理工大学毕业设计（论文）目录目录绪论................................................................1前言............................................................11.1水凝胶吸水机理.............................................11.2水凝胶分类.................................................21.2.1根据水凝胶对环境的不同敏感特性分类....................21.2.2根据凝胶网络上的电荷性质分类..........................21.2.3根据凝胶原料的来源分类................................31.2.4根据水凝胶对外界环境的敏感程度进行分类................31.3水凝胶的制备...............................................31.3.1自由基聚合............................................31.3.2溶液聚合..............................................41.3.3反相悬浮法............................................41.3.4反相乳液聚合..........................................41.3.5辐射聚合..............................................41.3.6水溶性高分子的交联....................................51.3.7物理交联水凝胶........................................51.4水凝胶的应用...............................................51.4.1农林园艺方面..........................................51.4.2生理卫生用品方面......................................51.4.3医疗及医药方面........................................61.4.4工业及其他方面........................................61.5pH敏感性水凝胶的作用原理..................................61.6pH敏感水凝胶的合成........................................71.7水凝胶在染料吸附方面的研究现状.............................71.8本研究目的及意义...........................................72.实验部分..........................................................82.1实验仪器与试剂...............................................82.1.1实验原料与试剂........................................82.1.2仪器与设备............................................82.2实验方法....................................................82.2.1聚丙烯酸水凝胶的合成...................................82.2.2在不同pH值下水凝胶溶胀性能测试.......................102.2.3水凝胶对亚甲基蓝的吸附性能测试........................103.结果与讨论.......................................................123.1水凝胶的合成工艺............................................123.1.1交联剂的影响..........................................123.1.2促进剂的影响..........................................123.1.3引发剂配比的影响......................................133.1.3水凝胶合成示意图......................................143.2水凝胶的pH敏感性测试.......................................14东华理工大学毕业设计（论文）目录3.2.1水凝胶的纯化..........................................143.2.2pH的调制及测定方法...................................143.2.3溶胀比SR的测定.......................................153.3水凝胶的吸附性能测试.......................................153.3.1水凝胶用量对吸附动力学关系性的影响....................163.3.2溶液pH对亚甲基蓝吸附率的影响.........................17结论..............................................................18致谢.............................................................18参考文献...........................................................19东华理工大学毕业设计（论文）绪论1绪论前言水凝胶是一种含有亲水基团能在水中溶胀而不溶解的具有三维网络结构的轻度交联高分子聚合物，是一种特殊的软湿性材料[1]。由于分子结构中有高度亲水功能的基团，能在水中可以吸收自身重量的几百倍甚至几千倍质量的水。同时具有很好的保水能力，即使在外界压力下水分也不流失[2]。由于水凝胶独特的物理和化学性质,因此被广泛地运用在工业、农业、生物和材料等领域[3]。1.1水凝胶吸水机理水凝胶的分子中含有大量亲水基团，并且具有一定的交联度和三维空间网络结构，这种特殊的化学结构和空间结构，使得它的吸水方式既有物理吸附，又有化学吸附和网络吸附，因此可以吸收其自身重量成百上千倍的水。当水凝胶与水分子接触时，其结构中的较强的亲水性基团能与水分子形成氢键结合。与水分子以氢键结合后，水凝胶中的极性基团电离，这种带电荷的基团相互排斥，引起水凝胶的三维交联网络结构扩张，并在水凝胶内部溶液与外部水溶液之间形成渗透压差。水分子在由于水凝胶的三维交联网络结构扩张而产生的毛细管以及内外渗透压差的作用下，向水凝胶内部渗透和扩散，从而产生水凝胶的吸水现象[4]。下图为水凝胶的离子网络结构[5]：图1水凝胶离子网络结构东华理工大学毕业设计（论文）绪论21.2水凝胶分类水凝胶的种类很多，可以根据原料来源、高分子网络的交联方式、交联结构、尺寸、形状以及性能的不同进行如下几种分类。1.2.1根据水凝胶对环境的不同敏感特性分类根据凝胶对外界环境的不同响应，水凝胶可分为pH敏感水凝胶、温敏水凝胶、盐敏水凝胶、光敏水凝胶、电场敏感水凝胶等。(1)pH敏感水凝胶pH敏感水凝胶是指凝胶随环境的pH变化而发生的溶胀体积不连续变化。一般来说，具有pH敏感性的水凝胶都是通过交联形成的大分子网络结构。网络中含有酸（碱性）基团，随着溶解介质离子强度、pH值的改变，这些基团发生电离，导致网络内大分子链段间氢键的解离、离子相