智能高分子材料

1、.第九章第九章 功能高分子功能高分子智能高分子材料智能高分子材料.定義：定義：智能材料智能材料(Intelligent Material (Intelligent Material 或或smart Material)smart Material)：指具有：指具有感知感知環(huán)境刺激，對(duì)環(huán)境刺激，對(duì)之進(jìn)行之進(jìn)行分析、處理、判斷分析、處理、判斷，并采取一定的，并采取一定的措措施施進(jìn)行適度進(jìn)行適度響應(yīng)響應(yīng)的智能特征的材料。的智能特征的材料。一、簡(jiǎn)介一、簡(jiǎn)介1 1、 概概 述述.構(gòu)思：構(gòu)思：源于仿生；源于仿生；目標(biāo)：目標(biāo)：獲得類似人的各種功能的獲得類似人的各種功能的“活活”的材料，的材料，使材料系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)

2、中集成使材料系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)中集成智能與生命特征智能與生命特征，達(dá)，達(dá)到減小質(zhì)量，降低能耗，并產(chǎn)生自適應(yīng)功能。到減小質(zhì)量，降低能耗，并產(chǎn)生自適應(yīng)功能。一、簡(jiǎn)介一、簡(jiǎn)介1 1、 概概 述述.智能性體現(xiàn)智能性體現(xiàn): :具有具有感知感知功能：能夠檢測(cè)并識(shí)別周圍環(huán)境的變功能：能夠檢測(cè)并識(shí)別周圍環(huán)境的變化，如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁及核輻射等化，如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁及核輻射等; ;具有具有驅(qū)動(dòng)特性驅(qū)動(dòng)特性及及響應(yīng)環(huán)境變化響應(yīng)環(huán)境變化功能功能; ;1 1、 概概 述述.智能性體現(xiàn)智能性體現(xiàn): :能以設(shè)定的方式能以設(shè)定的方式選擇選擇和和控制響應(yīng)控制響應(yīng); ;反應(yīng)反應(yīng)靈敏靈敏恰當(dāng)恰當(dāng); ;在刺激消除后能夠

3、在刺激消除后能夠迅速恢復(fù)迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。到原始狀態(tài)。1 1、 概概 述述.凝膠材料凝膠材料形狀記憶高分子材料形狀記憶高分子材料1 1、 概概 述述.海參海參沒(méi)有骨骼等硬的構(gòu)造，其沒(méi)有骨骼等硬的構(gòu)造，其大部分都由水及大部分都由水及凝膠材料凝膠材料組成；組成；2 2、 凝膠材料凝膠材料利用人工合成的利用人工合成的高分子凝膠高分子凝膠來(lái)來(lái)模擬模擬海參類的生物組織。海參類的生物組織。.凝膠是由凝膠是由液體液體與與高分子網(wǎng)絡(luò)高分子網(wǎng)絡(luò)所組成的所組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)，其大分子主鏈或側(cè)鏈上含有，其大分子主鏈或側(cè)鏈上含有離子解離性、極離子解離性、極性或疏水性基團(tuán)性或疏水性基團(tuán)，對(duì)溶劑組分、溫度、

4、，對(duì)溶劑組分、溫度、pHpH值、值、鹽濃度、光和電場(chǎng)等鹽濃度、光和電場(chǎng)等環(huán)境變化環(huán)境變化能產(chǎn)生一定的能產(chǎn)生一定的響應(yīng)響應(yīng)，發(fā)生發(fā)生可逆的不連續(xù)的體積變化可逆的不連續(xù)的體積變化。2 2、智能凝膠材料、智能凝膠材料一、簡(jiǎn)介：一、簡(jiǎn)介：. 由于液體與高分子網(wǎng)絡(luò)的親和性，由于液體與高分子網(wǎng)絡(luò)的親和性，液體被高分液體被高分子網(wǎng)絡(luò)封閉在里面子網(wǎng)絡(luò)封閉在里面，失去了流動(dòng)性，因此凝膠，失去了流動(dòng)性，因此凝膠會(huì)象固體一樣顯示出一定的形狀。會(huì)象固體一樣顯示出一定的形狀。2 2、凝膠材料、凝膠材料一、簡(jiǎn)介：一、簡(jiǎn)介：. 由于凝膠材料中含有液體，不像固體那樣維持由于凝膠材料中含有液體，不像固體那樣維持其形狀，因此，凝

5、膠材料也曾被稱為其形狀，因此，凝膠材料也曾被稱為“濕材料濕材料”或者或者“軟材料軟材料”。2 2、凝膠材料、凝膠材料一、簡(jiǎn)介：一、簡(jiǎn)介：.二、高分子水凝膠的制備二、高分子水凝膠的制備聚合物成為高分子凝膠材料必須具備兩個(gè)條聚合物成為高分子凝膠材料必須具備兩個(gè)條件：高分子件：高分子主鏈或側(cè)鏈上帶有大量的親水基團(tuán)主鏈或側(cè)鏈上帶有大量的親水基團(tuán)，并具有并具有適當(dāng)?shù)慕宦?lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)慕宦?lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2 2、凝膠材料、凝膠材料.二、高分子水凝膠的制備二、高分子水凝膠的制備制備方法：?jiǎn)误w的交聯(lián)聚合、接枝聚合和水制備方法：?jiǎn)误w的交聯(lián)聚合、接枝聚合和水溶性高分子的交聯(lián)等，其中溶性高分子的交聯(lián)等，其中單體交聯(lián)單體交

6、聯(lián)是目前是目前制備高分子凝膠的最主要方法。制備高分子凝膠的最主要方法。起始原料：可以是單體、聚合物、或者是單起始原料：可以是單體、聚合物、或者是單體和聚合物的混合物。體和聚合物的混合物。.單體交聯(lián)聚合單體交聯(lián)聚合單體交聯(lián)聚合：在交聯(lián)劑存在的情況下，單體單體交聯(lián)聚合：在交聯(lián)劑存在的情況下，單體經(jīng)自由基均聚或共聚而制得高分子凝膠的方法。經(jīng)自由基均聚或共聚而制得高分子凝膠的方法。在聚合反應(yīng)過(guò)程中，可以通過(guò)加入或改變?cè)诰酆戏磻?yīng)過(guò)程中，可以通過(guò)加入或改變引發(fā)引發(fā)劑、鰲合劑、鏈轉(zhuǎn)移劑等來(lái)控制聚合動(dòng)力學(xué)，劑、鰲合劑、鏈轉(zhuǎn)移劑等來(lái)控制聚合動(dòng)力學(xué)，以及所得高分子凝膠的性質(zhì)以及所得高分子凝膠的性質(zhì)。二、高分子水凝

7、膠的制備二、高分子水凝膠的制備.制備高分子凝膠的單體：主要有制備高分子凝膠的單體：主要有丙烯酸系列、丙烯酸系列、丙烯酰胺系列和醋酸乙烯酯丙烯酰胺系列和醋酸乙烯酯等，等，聚合反應(yīng)可以借助引發(fā)劑引發(fā)和輻射引發(fā)完成，聚合反應(yīng)可以借助引發(fā)劑引發(fā)和輻射引發(fā)完成，交聯(lián)劑最主要的是利用交聯(lián)劑來(lái)完成，如交聯(lián)劑最主要的是利用交聯(lián)劑來(lái)完成，如雙乙雙乙烯基交聯(lián)劑烯基交聯(lián)劑。單體交聯(lián)聚合單體交聯(lián)聚合二、高分子水凝膠的制備二、高分子水凝膠的制備.三、溶脹行為與作用機(jī)理三、溶脹行為與作用機(jī)理在凝膠的溶脹過(guò)程中：在凝膠的溶脹過(guò)程中：溶劑試圖滲入高聚物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使其體積膨脹，溶劑試圖滲入高聚物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使其體積膨脹，交聯(lián)聚合物交聯(lián)聚

8、合物體積膨脹體積膨脹，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分子鏈向三度，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分子鏈向三度空間伸展，空間伸展，使使分子網(wǎng)絡(luò)受到應(yīng)力產(chǎn)生彈性收縮分子網(wǎng)絡(luò)受到應(yīng)力產(chǎn)生彈性收縮，當(dāng)兩種相反的傾向相抗衡時(shí)，達(dá)到了溶脹平衡。當(dāng)兩種相反的傾向相抗衡時(shí)，達(dá)到了溶脹平衡。2 2、凝膠材料、凝膠材料.四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性1 1、物理刺激響應(yīng)性、物理刺激響應(yīng)性（1 1）溫度響應(yīng)性）溫度響應(yīng)性 溫敏水凝膠：分子中有一定比例的親水和疏水溫敏水凝膠：分子中有一定比例的親水和疏水基團(tuán)，基團(tuán)，溫度的變化可以影響這些基團(tuán)的親疏水溫度的變化可以影響這些基團(tuán)的親疏水作用以及氫鍵作用作用以及氫鍵作用，從而使凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改，

9、從而使凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變的一類凝膠。變，導(dǎo)致發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變的一類凝膠。.四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性1 1、物理刺激響應(yīng)性、物理刺激響應(yīng)性（1 1）溫度響應(yīng)性）溫度響應(yīng)性溫敏水凝膠發(fā)生體積相變的溫度稱為溫敏水凝膠發(fā)生體積相變的溫度稱為臨界相變臨界相變溫度溫度( LCST)( LCST)：低于低于LCSTLCST，溫敏凝膠在水溶液中溶，溫敏凝膠在水溶液中溶脹脹，隨著溫度升高，隨著溫度升高，達(dá)到達(dá)到LCSTLCST時(shí)，凝膠發(fā)生體積時(shí)，凝膠發(fā)生體積相變而相變而收縮。收縮。.四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性1 1、物理刺激響應(yīng)性、物理刺激

10、響應(yīng)性（1 1）溫度響應(yīng)性）溫度響應(yīng)性溫敏水凝膠溶脹和收縮時(shí)的體積比為溫敏水凝膠溶脹和收縮時(shí)的體積比為溶脹比溶脹比q q，凝膠的凝膠的LCSTLCST和和q q是決定其應(yīng)用的是決定其應(yīng)用的關(guān)鍵因素關(guān)鍵因素，也是設(shè)計(jì)溫敏凝膠的主要參數(shù)。也是設(shè)計(jì)溫敏凝膠的主要參數(shù)。.典型的熱致收縮型水凝膠典型的熱致收縮型水凝膠-PNIPAM-PNIPAM2020度度4545度度.(2) (2) 電場(chǎng)響應(yīng)性電場(chǎng)響應(yīng)性田中豐一研究組在田中豐一研究組在19831983年首次報(bào)道了年首次報(bào)道了凝膠對(duì)電凝膠對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)場(chǎng)的響應(yīng)：在電場(chǎng)刺激下，凝膠產(chǎn)生溶脹和收縮：在電場(chǎng)刺激下，凝膠產(chǎn)生溶脹和收縮并將電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能。并將電能轉(zhuǎn)

11、換機(jī)械能?？茖W(xué)家們將科學(xué)家們將凝膠視作人工肌肉的候選材料凝膠視作人工肌肉的候選材料，希望，希望能在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件或假肢方面得到應(yīng)用。能在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件或假肢方面得到應(yīng)用。1 1、物理刺激響應(yīng)性、物理刺激響應(yīng)性.凝膠響應(yīng)磁場(chǎng)而溶脹和收縮的研究工作始于美國(guó)凝膠響應(yīng)磁場(chǎng)而溶脹和收縮的研究工作始于美國(guó)MITMIT研究組。他們研究組。他們將磁鐵將磁鐵“種植種植”在凝膠內(nèi)在凝膠內(nèi)，當(dāng)施，當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)鐵磁體發(fā)熱，使周圍凝膠溫度升高誘發(fā)溶加磁場(chǎng)時(shí)鐵磁體發(fā)熱，使周圍凝膠溫度升高誘發(fā)溶脹或收縮，去除磁場(chǎng)后，凝膠冷卻恢復(fù)至原來(lái)的尺脹或收縮，去除磁場(chǎng)后，凝膠冷卻恢復(fù)至原來(lái)的尺寸。寸。(3) (3) 磁場(chǎng)響應(yīng)性磁場(chǎng)響應(yīng)

12、性1 1、物理刺激響應(yīng)性、物理刺激響應(yīng)性四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性.光響應(yīng)材料設(shè)計(jì)涉及到將能產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)的光響應(yīng)材料設(shè)計(jì)涉及到將能產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)光基團(tuán)發(fā)光基團(tuán)引入高分子材料中。此類材料在引入高分子材料中。此類材料在光記光記錄介質(zhì)、化學(xué)傳感器和非線性光學(xué)材料錄介質(zhì)、化學(xué)傳感器和非線性光學(xué)材料方面應(yīng)方面應(yīng)用前景良好。用前景良好。（4 4）光響應(yīng)性）光響應(yīng)性1 1、物理刺激響應(yīng)性、物理刺激響應(yīng)性四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性.2 2、化學(xué)刺激響應(yīng)性、化學(xué)刺激響應(yīng)性（1 1） pHpH響應(yīng)性響應(yīng)性通過(guò)線形聚合物之間通過(guò)線形聚合物之間交聯(lián)交聯(lián)或互穿而

13、形成的體型大或互穿而形成的體型大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)中含有可離子化的酸性或堿網(wǎng)絡(luò)中含有可離子化的酸性或堿性基團(tuán)性基團(tuán)，隨著介質(zhì)，隨著介質(zhì)pHpH值、離子強(qiáng)度的改變，這值、離子強(qiáng)度的改變，這些基團(tuán)會(huì)發(fā)生電離，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大分子鏈段間些基團(tuán)會(huì)發(fā)生電離，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大分子鏈段間氫氫鍵的解離鍵的解離，產(chǎn)生不連續(xù)的，產(chǎn)生不連續(xù)的溶脹體積溶脹體積變化。變化。四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性四、高分子凝膠的刺激響應(yīng)性.（2 2）分子識(shí)別型刺激響應(yīng)性）分子識(shí)別型刺激響應(yīng)性蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)可記憶和復(fù)制獨(dú)特的構(gòu)象可記憶和復(fù)制獨(dú)特的構(gòu)象，以難以置信，以難以置信的特異性的特異性識(shí)別外界的分子識(shí)別外界的分子，并以極高的效

14、率，并以極高的效率催催化化學(xué)反應(yīng)化化學(xué)反應(yīng)。2 2、化學(xué)刺激響應(yīng)性、化學(xué)刺激響應(yīng)性.（2 2）分子識(shí)別型刺激響應(yīng)性）分子識(shí)別型刺激響應(yīng)性模仿生物體系的分子識(shí)別功能，并將此類功能模仿生物體系的分子識(shí)別功能，并將此類功能引入高分子材料乃是一個(gè)誘人的研究方向，但引入高分子材料乃是一個(gè)誘人的研究方向，但這涉及將這涉及將特異識(shí)別位點(diǎn)導(dǎo)入高度交聯(lián)多孔聚合特異識(shí)別位點(diǎn)導(dǎo)入高度交聯(lián)多孔聚合物物的分子印跡技術(shù)。的分子印跡技術(shù)。2 2、化學(xué)刺激響應(yīng)性、化學(xué)刺激響應(yīng)性.五、新型智能高分子水凝膠五、新型智能高分子水凝膠1 1、快速響應(yīng)性水凝膠、快速響應(yīng)性水凝膠傳統(tǒng)水凝膠溶脹速度較慢，但有許多場(chǎng)合需要傳統(tǒng)水凝膠溶脹速度

15、較慢，但有許多場(chǎng)合需要分子網(wǎng)絡(luò)能很快地溶脹。為了提高水凝膠的響分子網(wǎng)絡(luò)能很快地溶脹。為了提高水凝膠的響應(yīng)速度，在傳統(tǒng)水凝膠的基礎(chǔ)上制備了幾種新應(yīng)速度，在傳統(tǒng)水凝膠的基礎(chǔ)上制備了幾種新型水凝膠。型水凝膠。2 2、凝膠材料、凝膠材料.（1 1）微凝膠）微凝膠研究表明，研究表明，水凝膠溶脹或收縮達(dá)到平衡所需的水凝膠溶脹或收縮達(dá)到平衡所需的時(shí)間與水凝膠的線性尺寸的平方呈正比時(shí)間與水凝膠的線性尺寸的平方呈正比，據(jù)此得，據(jù)此得出，出，小的凝膠顆粒響應(yīng)外界刺激比大凝膠快小的凝膠顆粒響應(yīng)外界刺激比大凝膠快。因。因此為了提高水凝膠的響應(yīng)速度，研究者合成出微此為了提高水凝膠的響應(yīng)速度，研究者合成出微凝膠或納米尺寸

16、的水凝膠。凝膠或納米尺寸的水凝膠。1 1、快速響應(yīng)性水凝膠、快速響應(yīng)性水凝膠.（2 2）大孔及超孔水凝膠）大孔及超孔水凝膠凝膠溶脹或收縮過(guò)程主要為凝膠溶脹或收縮過(guò)程主要為高分子網(wǎng)絡(luò)的吸收或高分子網(wǎng)絡(luò)的吸收或釋放溶劑釋放溶劑，這是一個(gè)慢的擴(kuò)散過(guò)程，而且接近臨，這是一個(gè)慢的擴(kuò)散過(guò)程，而且接近臨界點(diǎn)時(shí)更慢。界點(diǎn)時(shí)更慢。1 1、快速響應(yīng)性水凝膠、快速響應(yīng)性水凝膠.（2 2）大孔及超孔水凝膠）大孔及超孔水凝膠但對(duì)于一個(gè)具有相互連接的孔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，但對(duì)于一個(gè)具有相互連接的孔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，溶劑的吸收或釋放通過(guò)孔由對(duì)流產(chǎn)生溶劑的吸收或釋放通過(guò)孔由對(duì)流產(chǎn)生，這一過(guò)程，這一過(guò)程比非孔凝膠中的擴(kuò)散過(guò)程快。比非

17、孔凝膠中的擴(kuò)散過(guò)程快。1 1、快速響應(yīng)性水凝膠、快速響應(yīng)性水凝膠.（2 2）大孔及超孔水凝膠）大孔及超孔水凝膠 劉曉華等則以不同粒徑的劉曉華等則以不同粒徑的CaCOCaCO3 3作為成孔劑，作為成孔劑，合成了合成了快速響應(yīng)的溫敏性水凝膠快速響應(yīng)的溫敏性水凝膠，該水凝膠的，該水凝膠的的孔徑大小為幾十微米，在溫敏膨脹或收縮時(shí)，的孔徑大小為幾十微米，在溫敏膨脹或收縮時(shí)，具有快速的響應(yīng)速度，具有快速的響應(yīng)速度，在在10 min10 min的失水率可達(dá)的失水率可達(dá)90%90%。1 1、快速響應(yīng)性水凝膠、快速響應(yīng)性水凝膠.2 2、物理交聯(lián)水凝膠、物理交聯(lián)水凝膠化學(xué)交聯(lián)劑不僅會(huì)影響包埋物質(zhì)的完整性，而化學(xué)交

18、聯(lián)劑不僅會(huì)影響包埋物質(zhì)的完整性，而且經(jīng)常是有毒的化合物，因此化學(xué)交聯(lián)水凝膠且經(jīng)常是有毒的化合物，因此化學(xué)交聯(lián)水凝膠使用之前必須除去未反應(yīng)的交聯(lián)劑。使用之前必須除去未反應(yīng)的交聯(lián)劑。五、新型智能高分子水凝膠五、新型智能高分子水凝膠2 2、凝膠材料、凝膠材料.2 2、物理交聯(lián)水凝膠、物理交聯(lián)水凝膠物理交聯(lián)凝膠：物理交聯(lián)凝膠：當(dāng)條件當(dāng)條件( (如溫度、如溫度、pHpH等等) )改變時(shí)，改變時(shí)，可以原位形成凝膠可以原位形成凝膠，可以避免使用交聯(lián)劑可以避免使用交聯(lián)劑，因此，因此近年來(lái)對(duì)于物理交聯(lián)水凝膠的興趣越來(lái)越濃。近年來(lái)對(duì)于物理交聯(lián)水凝膠的興趣越來(lái)越濃。五、新型智能高分子水凝膠五、新型智能高分子水凝膠2

19、 2、凝膠材料、凝膠材料.2 2、物理交聯(lián)水凝膠、物理交聯(lián)水凝膠物理交聯(lián)水凝膠的形成條件：體系中須有物理交物理交聯(lián)水凝膠的形成條件：體系中須有物理交聯(lián)點(diǎn)形成，可以通過(guò)多種方式，如疏水親水相互聯(lián)點(diǎn)形成，可以通過(guò)多種方式，如疏水親水相互作用、結(jié)晶作用、氫鍵作用及蛋白質(zhì)相互作用等。作用、結(jié)晶作用、氫鍵作用及蛋白質(zhì)相互作用等。五、新型智能高分子水凝膠五、新型智能高分子水凝膠2 2、凝膠材料、凝膠材料.2 2、物理交聯(lián)水凝膠、物理交聯(lián)水凝膠物理交聯(lián)水凝膠：用于制備可注射式藥物緩釋體物理交聯(lián)水凝膠：用于制備可注射式藥物緩釋體系：使系：使藥物藥物在溫和的條件下混合在高分子在溫和的條件下混合在高分子溶液溶液中

20、，中，然后注射到身體的一定部位，在一定的生理?xiàng)l件然后注射到身體的一定部位，在一定的生理?xiàng)l件下高分子溶液形成下高分子溶液形成水凝膠水凝膠，其中的藥物通過(guò)凝膠，其中的藥物通過(guò)凝膠的分解或以其它方式的分解或以其它方式緩慢緩慢釋放，從而達(dá)到控制藥釋放，從而達(dá)到控制藥物釋放的目的。物釋放的目的。五、新型智能高分子水凝膠五、新型智能高分子水凝膠.3 3、具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠、具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠 溶脹的水凝膠通常是溶脹的水凝膠通常是無(wú)定型無(wú)定型的，因此沒(méi)有特別的，因此沒(méi)有特別的分子水平的有序結(jié)構(gòu)，這可能是合成高分子的分子水平的有序結(jié)構(gòu)，這可能是合成高分子水凝膠水凝膠缺乏機(jī)械強(qiáng)度缺乏機(jī)械強(qiáng)度以及以及快速響應(yīng)

21、快速響應(yīng)的原因之一。的原因之一。2 2、凝膠材料、凝膠材料.3 3、具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠、具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠 生物凝膠通常能形成生物凝膠通常能形成非常有序的聚集體非常有序的聚集體，從而，從而使得生物器官具有使得生物器官具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和靈活的功足夠的機(jī)械強(qiáng)度和靈活的功能能。因此合成具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠也是智能。因此合成具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠也是智能型水凝膠改性的一個(gè)主要研究方向。型水凝膠改性的一個(gè)主要研究方向。五、新型智能高分子水凝膠五、新型智能高分子水凝膠.兩種方法可在水凝膠中兩種方法可在水凝膠中引入有序結(jié)均引入有序結(jié)均: :一是一是引入能通過(guò)分子間相互作用形成有序結(jié)構(gòu)引入能通過(guò)分子間相互

22、作用形成有序結(jié)構(gòu)的分子的分子，例如聚電解質(zhì)凝膠同帶相反電荷的表面，例如聚電解質(zhì)凝膠同帶相反電荷的表面活性劑之間復(fù)合物的形成?；钚詣┲g復(fù)合物的形成。另一種方法是另一種方法是通過(guò)化學(xué)鍵在水凝膠中引入能自通過(guò)化學(xué)鍵在水凝膠中引入能自組裝的側(cè)基組裝的側(cè)基，如含有晶體或液晶側(cè)基的疏水性單，如含有晶體或液晶側(cè)基的疏水性單體和親水性單體的共聚屬于這一類。體和親水性單體的共聚屬于這一類。3 3、具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠、具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠. 水凝膠通過(guò)它們的水凝膠通過(guò)它們的有序有序- -無(wú)序無(wú)序或或有序有序- -有序有序轉(zhuǎn)變對(duì)轉(zhuǎn)變對(duì)外界刺激呈現(xiàn)出非?？焖俚捻憫?yīng)外界刺激呈現(xiàn)出非?？焖俚捻憫?yīng)，因此這些水，因此這些

23、水凝膠將是制造凝膠將是制造人造肌肉人造肌肉的合適材料。的合適材料。3 3、具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠、具有規(guī)則構(gòu)造的水凝膠2 2、凝膠材料、凝膠材料五、新型智能高分子水凝膠五、新型智能高分子水凝膠.六、智能高分子凝膠的應(yīng)用六、智能高分子凝膠的應(yīng)用 1 1、藥物控釋系統(tǒng)、藥物控釋系統(tǒng) 利用溫敏性水凝膠利用溫敏性水凝膠控制藥物緩釋控制藥物緩釋，可以改變傳統(tǒng)，可以改變傳統(tǒng)給藥方式給藥后血藥濃度波動(dòng)大的缺點(diǎn)，減少患給藥方式給藥后血藥濃度波動(dòng)大的缺點(diǎn)，減少患者的痛苦，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶部位的溫度、化學(xué)者的痛苦，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶部位的溫度、化學(xué)環(huán)境等異常變動(dòng)自動(dòng)感知，自動(dòng)釋放所需量的藥環(huán)境等異常變動(dòng)自動(dòng)感知，自動(dòng)

24、釋放所需量的藥物，當(dāng)身體正常時(shí)，藥物控釋系統(tǒng)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，物，當(dāng)身體正常時(shí)，藥物控釋系統(tǒng)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，重新抑制釋放。重新抑制釋放。.1 1、藥物控釋系統(tǒng)、藥物控釋系統(tǒng) 林奕等通過(guò)林奕等通過(guò)聚聚N,N-N,N-二乙基丙烯酰胺二乙基丙烯酰胺溫敏水凝膠對(duì)溫敏水凝膠對(duì)藥物釋放的研究認(rèn)為，溫敏凝膠對(duì)藥物的控釋屬藥物釋放的研究認(rèn)為，溫敏凝膠對(duì)藥物的控釋屬于于“藥物擴(kuò)散藥物擴(kuò)散”機(jī)理，溫度低于機(jī)理，溫度低于LCSTLCST時(shí)，凝膠膨時(shí)，凝膠膨脹，藥物以慢速脹，藥物以慢速自由擴(kuò)散方式釋放自由擴(kuò)散方式釋放，溫度高于，溫度高于LCSTLCST時(shí)，藥物時(shí)，藥物隨凝膠的脫水而快速釋放隨凝膠的脫水而快速釋放。六、智能高

25、分子凝膠的應(yīng)用六、智能高分子凝膠的應(yīng)用 .1 1、藥物控釋系統(tǒng)、藥物控釋系統(tǒng) OkanoOkano等將等將疏水性的藥物疏水性的藥物填充于水凝膠中，釋放填充于水凝膠中，釋放方式與上述方式相反，溫度低于方式與上述方式相反，溫度低于LCSTLCST時(shí)，疏水性時(shí)，疏水性藥物以藥物以慢速自由擴(kuò)散方式釋放慢速自由擴(kuò)散方式釋放，溫度高于，溫度高于LCSTLCST時(shí)，時(shí)，疏水性藥物由于與疏水性藥物由于與疏水性的分子鏈的親合性好而終疏水性的分子鏈的親合性好而終止擴(kuò)散止擴(kuò)散。六、智能高分子凝膠的應(yīng)用六、智能高分子凝膠的應(yīng)用 .2 2、物料分離、物料分離 凝膠可以作為一種固體和液體或液體中不同物凝膠可以作為一種固體

26、和液體或液體中不同物質(zhì)的中間介質(zhì)，分離復(fù)雜的混合物，特別是溫質(zhì)的中間介質(zhì)，分離復(fù)雜的混合物，特別是溫敏性凝膠具有可逆相轉(zhuǎn)變性和溫度響應(yīng)性，所敏性凝膠具有可逆相轉(zhuǎn)變性和溫度響應(yīng)性，所以可以方便的再生、反復(fù)使用，極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值。以可以方便的再生、反復(fù)使用，極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于操作條件溫和，特別由于操作條件溫和，特別適用于大分子的濃縮適用于大分子的濃縮和提純和提純。六、智能高分子凝膠的應(yīng)用六、智能高分子凝膠的應(yīng)用 . 金蔓蓉等用水凝膠對(duì)牛血清蛋白、堿性蛋白以金蔓蓉等用水凝膠對(duì)牛血清蛋白、堿性蛋白以及人體激素溶液進(jìn)行濃縮萃取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明及人體激素溶液進(jìn)行濃縮萃取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明凝膠凝膠萃取對(duì)于濃縮和制備貴

27、重生化制品很有效，萃取對(duì)于濃縮和制備貴重生化制品很有效，尤其有利于保持被處理藥物的生物活性尤其有利于保持被處理藥物的生物活性。2 2、物料分離、物料分離. 此外，溫敏水凝膠還可以此外，溫敏水凝膠還可以直接制備成水凝膠膜直接制備成水凝膠膜，也可以也可以接枝于高分子膜的表面，制成刺激響應(yīng)性接枝于高分子膜的表面，制成刺激響應(yīng)性膜材料膜材料，由，由溫度的變溫度的變化來(lái)改變膜的通透性?；瘉?lái)改變膜的通透性。2 2、物料分離、物料分離.3 3、動(dòng)力和機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)力和機(jī)械系統(tǒng) 智能水凝膠在環(huán)境刺激下智能水凝膠在環(huán)境刺激下，可將其他形式的能，可將其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，利用凝膠這個(gè)特性可應(yīng)用于動(dòng)，

28、利用凝膠這個(gè)特性可應(yīng)用于動(dòng)力和機(jī)械系統(tǒng)，其機(jī)械動(dòng)力來(lái)源于凝膠體內(nèi)部力和機(jī)械系統(tǒng)，其機(jī)械動(dòng)力來(lái)源于凝膠體內(nèi)部與外界環(huán)境的化學(xué)位差。與外界環(huán)境的化學(xué)位差。六、智能高分子凝膠的應(yīng)用六、智能高分子凝膠的應(yīng)用 .3 3、動(dòng)力和機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)力和機(jī)械系統(tǒng) 日本科技機(jī)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種能日本科技機(jī)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種能根據(jù)鹽和根據(jù)鹽和酸堿度的變化迅速膨脹和收縮的材料，酸堿度的變化迅速膨脹和收縮的材料，作為作為人工人工肌肉肌肉代替電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械人。代替電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械人。六、智能高分子凝膠的應(yīng)用六、智能高分子凝膠的應(yīng)用 .3 3、動(dòng)力和機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)力和機(jī)械系統(tǒng) 美國(guó)科學(xué)家發(fā)明的一種混合水凝膠，對(duì)丙酮濃度

29、美國(guó)科學(xué)家發(fā)明的一種混合水凝膠，對(duì)丙酮濃度非常敏感，在一定條件下一種凝膠收縮而另一種非常敏感，在一定條件下一種凝膠收縮而另一種保持不變，使凝膠彎曲，彎曲點(diǎn)數(shù)目決定凝膠最保持不變，使凝膠彎曲，彎曲點(diǎn)數(shù)目決定凝膠最終形狀。這種形狀記憶凝膠終形狀。這種形狀記憶凝膠能隨溫度的變化成為能隨溫度的變化成為直線、四邊形或五邊形結(jié)構(gòu)，通過(guò)溫度的變化可直線、四邊形或五邊形結(jié)構(gòu)，通過(guò)溫度的變化可以控制凝膠以控制凝膠“手手”抓起或放下物體抓起或放下物體。.指能夠感知并響應(yīng)環(huán)境變化指能夠感知并響應(yīng)環(huán)境變化 ( (如溫度、力、電磁、如溫度、力、電磁、溶劑等溶劑等) ) 的刺激的刺激, , 對(duì)其狀態(tài)參數(shù)對(duì)其狀態(tài)參數(shù)( (

30、如形狀、位置、如形狀、位置、應(yīng)變等應(yīng)變等) ) 進(jìn)行調(diào)整進(jìn)行調(diào)整, , 從而回復(fù)到其預(yù)先設(shè)定狀態(tài)的從而回復(fù)到其預(yù)先設(shè)定狀態(tài)的高分子材料高分子材料。3 3、形狀記憶高分子材料、形狀記憶高分子材料一、定義一、定義. 形狀記憶現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)要追溯到上世紀(jì)形狀記憶現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)要追溯到上世紀(jì)5050年代，年代，美國(guó)科學(xué)家在一次實(shí)驗(yàn)中偶然對(duì)美國(guó)科學(xué)家在一次實(shí)驗(yàn)中偶然對(duì)拉伸變形的拉伸變形的化學(xué)交聯(lián)聚乙烯化學(xué)交聯(lián)聚乙烯加熱，卻驚奇地發(fā)現(xiàn)這種聚加熱，卻驚奇地發(fā)現(xiàn)這種聚合物能夠自動(dòng)并且迅速地收縮成初始的小尺合物能夠自動(dòng)并且迅速地收縮成初始的小尺寸狀態(tài)，這個(gè)現(xiàn)象就是典型的形狀記憶回復(fù)寸狀態(tài)，這個(gè)現(xiàn)象就是典型的形狀記憶回復(fù)

31、過(guò)程?？上У氖?，這一重大發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)沒(méi)有過(guò)程。可惜的是，這一重大發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)沒(méi)有引起足夠的重視。引起足夠的重視。二、發(fā)展及研究現(xiàn)狀二、發(fā)展及研究現(xiàn)狀. 直到直到2020年之后，美國(guó)宇航局才意識(shí)到了這種年之后，美國(guó)宇航局才意識(shí)到了這種形狀記憶效應(yīng)在形狀記憶效應(yīng)在航天航空領(lǐng)域航天航空領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前的巨大應(yīng)用前景，于是重新啟動(dòng)了形狀記憶聚合物的相關(guān)景，于是重新啟動(dòng)了形狀記憶聚合物的相關(guān)研究計(jì)劃。從此，形狀記憶聚合物走進(jìn)了一研究計(jì)劃。從此，形狀記憶聚合物走進(jìn)了一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)代。個(gè)高速發(fā)展的時(shí)代。二、發(fā)展及研究現(xiàn)狀二、發(fā)展及研究現(xiàn)狀.三、發(fā)展及研究現(xiàn)狀三、發(fā)展及研究現(xiàn)狀19841984年，法國(guó)年，法國(guó)C

32、DFCDF公司研制了公司研制了一種新型材料一種新型材料聚聚降冰片烯降冰片烯，該材料的分子量很高，該材料的分子量很高(300(300萬(wàn)萬(wàn)DaltonDalton以上以上) )，并且是一種典型的熱致型形狀記憶聚合物，并且是一種典型的熱致型形狀記憶聚合物。3 3、形狀記憶高分子材料、形狀記憶高分子材料.三、發(fā)展及研究現(xiàn)狀三、發(fā)展及研究現(xiàn)狀 19881988年日本的可樂(lè)麗公司合成出了年日本的可樂(lè)麗公司合成出了形狀記憶形狀記憶聚異戊二烯聚異戊二烯； 日本三菱重工于同年開(kāi)發(fā)出了由異氰酸酯，多日本三菱重工于同年開(kāi)發(fā)出了由異氰酸酯，多元醇和擴(kuò)鏈劑三元共聚而成的元醇和擴(kuò)鏈劑三元共聚而成的形狀記憶聚合物形狀記憶聚

33、合物PURPUR; ; 日本杰昂公司于日本杰昂公司于19891989年開(kāi)發(fā)出了以年開(kāi)發(fā)出了以聚酯聚酯為主為主要成分的要成分的聚酯聚酯- -合金類合金類形狀記憶聚合物。形狀記憶聚合物。.四、形狀記憶高分子的分類四、形狀記憶高分子的分類1 1、熱致型形狀記憶聚合物、熱致型形狀記憶聚合物熱致型形狀記憶聚合物形變回復(fù)示意圖熱致型形狀記憶聚合物形變回復(fù)示意圖. 先將材料先將材料加熱至其相轉(zhuǎn)變溫度以上加熱至其相轉(zhuǎn)變溫度以上( (通常是材料的玻璃化轉(zhuǎn)通常是材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或者熔點(diǎn)變溫度或者熔點(diǎn)) )，待材料完全軟化后，對(duì)其施加一定的外，待材料完全軟化后，對(duì)其施加一定的外力使之變形。力使之變形。 然后然后

34、在維持外力的情況下，迅速降溫在維持外力的情況下，迅速降溫使材料內(nèi)部的應(yīng)力凍使材料內(nèi)部的應(yīng)力凍結(jié)從而在宏觀上固定住材料的形狀。結(jié)從而在宏觀上固定住材料的形狀。 此時(shí)此時(shí)撤掉外力撤掉外力，將固定好形狀的材料，將固定好形狀的材料重新升溫至其相轉(zhuǎn)變重新升溫至其相轉(zhuǎn)變溫度溫度，則可觀察到形狀記憶回復(fù)的過(guò)程，則可觀察到形狀記憶回復(fù)的過(guò)程1 1、熱致型形狀記憶聚合物、熱致型形狀記憶聚合物.通常認(rèn)為這類熱致型形狀記憶聚合物的內(nèi)部都存通常認(rèn)為這類熱致型形狀記憶聚合物的內(nèi)部都存在兩相在兩相: :固定相和可逆相。固定相和可逆相。固定相固定相“記錄記錄”的是材料初始的形狀的是材料初始的形狀，而，而可逆相可逆相則則“記

35、錄記錄”的是其變形的形狀的是其變形的形狀。并且固定相形狀。并且固定相形狀幾乎不受到溫度的影響，而可逆相則會(huì)隨著溫度幾乎不受到溫度的影響，而可逆相則會(huì)隨著溫度的升高、降低呈現(xiàn)出軟化、固化等不同形態(tài)。的升高、降低呈現(xiàn)出軟化、固化等不同形態(tài)。1 1、熱致型形狀記憶聚合物、熱致型形狀記憶聚合物. 當(dāng)當(dāng)溫度升高至材料相轉(zhuǎn)變溫度以上并對(duì)其施加外溫度升高至材料相轉(zhuǎn)變溫度以上并對(duì)其施加外力力以后，以后，固定相形狀不變，但可逆相軟化固定相形狀不變，但可逆相軟化，其形，其形狀隨著外力發(fā)生改變，然后通過(guò)降溫過(guò)程可逆相狀隨著外力發(fā)生改變，然后通過(guò)降溫過(guò)程可逆相形狀固定并維持著材料的宏觀形狀。形狀固定并維持著材料的宏觀

36、形狀。1 1、熱致型形狀記憶聚合物、熱致型形狀記憶聚合物3 3、形狀記憶高分子材料、形狀記憶高分子材料. 隨著隨著溫度再次回升，可逆相軟化溫度再次回升，可逆相軟化，但此時(shí)由于沒(méi)，但此時(shí)由于沒(méi)有外力作用，固定相的形狀將占據(jù)主導(dǎo)地位，于有外力作用，固定相的形狀將占據(jù)主導(dǎo)地位，于是材料便自動(dòng)回復(fù)成初始的形狀是材料便自動(dòng)回復(fù)成初始的形狀 。1 1、熱致型形狀記憶聚合物、熱致型形狀記憶聚合物3 3、形狀記憶高分子材料、形狀記憶高分子材料.熱致型形狀記憶聚合物回復(fù)機(jī)理熱致型形狀記憶聚合物回復(fù)機(jī)理1 1、熱致型形狀記憶聚合物、熱致型形狀記憶聚合物.1 1、熱致型形狀記憶聚合物、熱致型形狀記憶聚合物形狀記憶聚

37、合物材料必須具有這樣一些條件：形狀記憶聚合物材料必須具有這樣一些條件：（1 1）聚合物材料本身應(yīng)具有）聚合物材料本身應(yīng)具有結(jié)晶和無(wú)定型的兩結(jié)晶和無(wú)定型的兩相結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)，且兩相結(jié)構(gòu)的比例應(yīng)適當(dāng)；，且兩相結(jié)構(gòu)的比例應(yīng)適當(dāng)；3 3、形狀記憶高分子材料、形狀記憶高分子材料.1 1、熱致型形狀記憶聚合物、熱致型形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物材料必須具有這樣一些條件：形狀記憶聚合物材料必須具有這樣一些條件：（2 2）在玻璃化溫度或熔點(diǎn)以上的）在玻璃化溫度或熔點(diǎn)以上的較寬溫度范圍較寬溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)高彈態(tài)內(nèi)呈現(xiàn)高彈態(tài)，并具有一定的強(qiáng)度，以利于實(shí)，并具有一定的強(qiáng)度，以利于實(shí)施變形；施變形；（3 3）在較寬的環(huán)境溫

38、度條件下具有玻璃態(tài)，保）在較寬的環(huán)境溫度條件下具有玻璃態(tài)，保證證在儲(chǔ)存狀態(tài)下凍結(jié)應(yīng)力不會(huì)釋放在儲(chǔ)存狀態(tài)下凍結(jié)應(yīng)力不會(huì)釋放。.數(shù)碼拍攝的數(shù)碼拍攝的PDLLA/HAPDLLA/HA復(fù)合材料制作的復(fù)合材料制作的“science”science”字字母形狀記憶回復(fù)過(guò)程母形狀記憶回復(fù)過(guò)程.2 2、電、電/ /磁致型形狀記憶聚合物磁致型形狀記憶聚合物 利用施加的外部電場(chǎng)利用施加的外部電場(chǎng)/ /磁場(chǎng)來(lái)誘導(dǎo)聚合物的形變磁場(chǎng)來(lái)誘導(dǎo)聚合物的形變回復(fù)回復(fù)。這類材料主要是。這類材料主要是將能夠?qū)щ娀蚓哂写判阅軐⒛軌驅(qū)щ娀蚓哂写判阅艿臒o(wú)機(jī)粒子的無(wú)機(jī)粒子( (碳納米管、炭黑、四氧化三鐵等碳納米管、炭黑、四氧化三鐵等) )

39、或或者者半導(dǎo)體高分子半導(dǎo)體高分子( (聚吡咯，聚苯胺聚吡咯，聚苯胺) )等等加入熱致型加入熱致型形狀記憶聚合物基體中形狀記憶聚合物基體中，然后，然后利用電場(chǎng)或者磁場(chǎng)利用電場(chǎng)或者磁場(chǎng)誘導(dǎo)其中的粒子發(fā)熱，從而使基體材料升溫，達(dá)誘導(dǎo)其中的粒子發(fā)熱，從而使基體材料升溫，達(dá)到其相轉(zhuǎn)變溫度后引發(fā)回復(fù)，故到其相轉(zhuǎn)變溫度后引發(fā)回復(fù)，故這類材料從本質(zhì)這類材料從本質(zhì)上來(lái)看其實(shí)也是一種熱致型形狀記憶復(fù)合材料上來(lái)看其實(shí)也是一種熱致型形狀記憶復(fù)合材料.2 2、電、電/ /磁致型形狀記憶聚合物磁致型形狀記憶聚合物 將具有超順磁性的將具有超順磁性的FeFe3 3OO4 4納米顆粒分別與納米顆粒分別與PDLLAPDLLA和化學(xué)交聯(lián)的和化學(xué)交聯(lián)的PCLPCL復(fù)合，得到了兩種新的磁致型復(fù)合，得到了兩種新的磁致型形狀記憶復(fù)合材料。形狀記憶復(fù)合材料。 經(jīng)過(guò)在磁場(chǎng)中的形變回復(fù)考察，結(jié)果證實(shí)，這種經(jīng)過(guò)在磁場(chǎng)中的形變回復(fù)考察，結(jié)果證實(shí)，這種材料能夠材料能夠在一定強(qiáng)度磁場(chǎng)的誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)形狀記憶在一定強(qiáng)度磁場(chǎng)的誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)形狀記憶的回復(fù)，并且回復(fù)率能夠達(dá)到的回復(fù)，并且回復(fù)率能夠達(dá)到95%95%以上以上。.3 3、光致型形狀記憶聚合物、光致型形狀記憶聚合物德國(guó)科學(xué)家德國(guó)科學(xué)家A.LendieinA.Lendiein首次提出了這類聚合物首次提出了這類聚合物的概念，他們?cè)诒┧岫□サ?/p>