1、 1第章智能高分子材料 24.1概述概述概念概念 3自然界：自然界：海参体壁的原始器官海参体壁的原始器官高分子高分子“水凝胶水凝胶 4人工材料：人工材料：聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺 5(1)(1)智能高分子凝胶智能高分子凝胶 刺激响应性高分子凝胶刺激响应性高分子凝胶 受到环境刺激时会随之响应，发生结构、受到环境刺激时会随之响应，发生结构、物理性质、化学性质变化的凝胶。物理性质、化学性质变化的凝胶。6(2)智能药物释放体系智能药物释放体系 7(3)(3)记忆功能高分子材料记忆功能高分子材料(4)(4)智能高分子膜智能高分子膜形状记忆形状记忆 85 5聚合物电流变流体聚合物电流变流体 由高介电常数的聚合
2、物颗粒悬浮在低介电常数由高介电常数的聚合物颗粒悬浮在低介电常数的液体中构成，可有效解决无机电流变液的沉降和的液体中构成，可有效解决无机电流变液的沉降和材料对器件的磨损等问题。材料对器件的磨损等问题。聚合物：以离子型聚合物和聚合物半导体为主。聚合物：以离子型聚合物和聚合物半导体为主。6 6智能织物智能织物 防水透湿织物、变色纺织品、调温纺织品、防水透湿织物、变色纺织品、调温纺织品、智能平安防护纺织品等。智能平安防护纺织品等。94.2 高分子凝胶及体积相转变高分子凝胶及体积相转变复合体系复合体系体积相转变：体积相转变：体系内各种相互作用力相互结合和竞争的结果。体系内各种相互作用力相互结合和竞争的结
3、果。10范德华力范德华力 静电相互作用力静电相互作用力氢键氢键 11(4)疏水相互作用力疏水相互作用力温度较低温度较低水分子在疏水性基团周围形成团簇水分子在疏水性基团周围形成团簇温度升高至相变温度温度升高至相变温度凝胶网络为凝胶网络为疏水基团保护疏水基团保护异丙基异丙基疏水基团疏水基团 124.3高分子凝胶的刺激响应性高分子凝胶的刺激响应性4.3.1物理刺激响应性物理刺激响应性(1)温敏性凝胶温敏性凝胶温度的变化影响了其中的疏水基团的疏水作温度的变化影响了其中的疏水基团的疏水作用以及大分子链间的氢键作用用以及大分子链间的氢键作用低临界溶解温度低临界溶解温度LCST 13高温收缩型高温收缩型聚异
4、丙基丙烯酰胺聚异丙基丙烯酰胺(PNIPA)机理：疏水基团的疏水作用。机理：疏水基团的疏水作用。低温收缩型低温收缩型聚丙烯酸聚丙烯酸(PAAC)和聚和聚N,N二甲基丙烯酰胺二甲基丙烯酰胺 (PDMAAM)网络互穿形成的聚合物水凝胶网络互穿形成的聚合物水凝胶 机理：氢键的形成与断裂。机理：氢键的形成与断裂。14(2)光敏感性凝胶光敏感性凝胶光敏感分子的经光辐照后光敏感分子的经光辐照后发生光异构化，伴随几何结构的改变发生光异构化，伴随几何结构的改变光敏感分子发生光解离作用光敏感分子发生光解离作用(即遇光分解即遇光分解产生的离子化产生的离子化)，使凝胶内外离子浓度差，使凝胶内外离子浓度差改变改变 15
5、(3)磁场敏感性凝胶磁场敏感性凝胶 16(4)电场敏感性凝胶电场敏感性凝胶聚电解质凝胶聚电解质凝胶自由离子自由离子定向定向移动移动：凝胶内不同部位凝胶内不同部位pH值不同值不同影响影响电离状态电离状态凝胶内外离子浓度不均凝胶内外离子浓度不均渗透压变化渗透压变化 17 184.3.2 化学刺激响应性化学刺激响应性(1)pH敏感性凝胶敏感性凝胶 19正、负离子间相互吸引凝胶收缩；(3)记忆功能高分子材料结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团(如羧基或氨基)。结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团(如羧基或氨基)。田中丰一 1975年凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续变
6、化的现象凝胶的体积相转变。包埋有磁性微粒子的高吸水性凝胶随磁场的变化而发生溶胀和收缩。聚合物：以离子型聚合物和聚合物半导体为主。(1)温度和pH敏感凝胶机制：温度的变化影响了其中的疏水基团的疏水作用以及大分子链间的氢键作用，从而使凝胶结构改变，发生体积相变。人为控制：将蔗糖转化酶固定在含Fe2O3的PNIPA圆柱形凝胶中。3高分子凝胶的刺激响应性4.用于：蛋白和酶的纯化、回收以及酶的固定化等。双(多)重响应性热-光、磁热、pH值离子刺激等。凝胶内不同部位pH值不同，从而影响凝胶中聚电解质电离状态，使凝胶结构发生变化，产生变形(1)pH敏感性凝胶敏感性凝胶聚丙烯酸羧基电离聚丙烯酸羧基电离 高高p
7、H值：溶胀值：溶胀 低低pH值：收缩值：收缩 20(2)化学物质响应凝胶化学物质响应凝胶胰岛素释放体系胰岛素释放体系对葡萄糖响应对葡萄糖响应 21 224.3.3 双重响应智能凝胶双重响应智能凝胶(1)温度和温度和pH敏感凝胶敏感凝胶异丙基丙烯酰胺异丙基丙烯酰胺 丙烯酸丙烯酸 234.3.3 双重响应智能凝胶双重响应智能凝胶(2)热、光敏感凝胶热、光敏感凝胶PNIPA和叶绿酸网络组成的凝胶和叶绿酸网络组成的凝胶 24(3)pH、光敏感凝胶、光敏感凝胶 25(4)磁性、热敏感凝胶磁性、热敏感凝胶 264.4 智能高分子凝胶的应用智能高分子凝胶的应用1别离功能材料别离功能材料别离机理别离机理 27
8、优点：优点：28污泥脱水污泥脱水聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)凝胶海绵吸收凝胶海绵吸收污泥中的水分，污泥脱水后得到浓缩，污泥中的水分，污泥脱水后得到浓缩，别离再生吸水溶胀的凝胶可循环利用。别离再生吸水溶胀的凝胶可循环利用。应应 用用 29生物别离：蛋白质、酶、微生物等活性物质；生物别离：蛋白质、酶、微生物等活性物质；电解质的浓缩别离：电解质的浓缩别离：30(2)运动功能材料运动功能材料人工肌肉人工肌肉聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)水凝胶水凝胶赋形用高赋形用高分子分子 31(3)生物反响器酶的活性控制生物反响器酶的活性控制自动控制自动控制:人为控制人为控制淀粉转葡糖苷酶的活性
9、控制淀粉转葡糖苷酶的活性控制 32(4)细胞培养基质细胞培养基质降温降温 33(5)在组织工程中的应用在组织工程中的应用凝胶凝胶作为组织重建和植入的人工细胞外基质作为组织重建和植入的人工细胞外基质 34(6)调光材料调光材料对激光的透过能力调节对激光的透过能力调节参数可调控光学镜片参数可调控光学镜片 35(7)可视化光学传感材料可视化光学传感材料机理：水凝胶所含分子识别机理：水凝胶所含分子识别基团与分析物基团与分析物(金属金属离子和葡萄糖离子和葡萄糖)反响反响使水凝胶可逆溶胀和使水凝胶可逆溶胀和收缩，结晶胶体阵列收缩，结晶胶体阵列衍射光的波长随分析衍射光的波长随分析物浓度的变化而单调物浓度的变化而单调变化。变化。聚合物微球结晶胶聚合物微球结晶胶体阵列体阵列(PCCA)36智能聚合结晶胶体阵列智能聚合结晶胶体阵列(IPCCA)葡萄糖传感器葡萄糖传感器H)(Gox)(Gox葡糖酸还原葡萄糖氧化
