纳米水凝胶合成方法

安　珂（西安石油大学 石油工程学院,西安 710065）

纳米水凝胶合成方法

安珂
（西安石油大学 石油工程学院,西安 710065）

智能纳米水凝胶不仅具有刺激响应性，还具有响应速度快、生物相容性好等特点，因此被广泛应用于药物输送与可控释放、细胞培养基、生物组织修复材料、酶的固定化等方面，并在石油的三次开采、化妆品、涂料等领域显示出良好的应用前景。本文简单介绍了纳米水凝胶的几种不同合成方法。

纳米水凝胶；三次开采；合成方法

1　前言

智能材料是一种能感知外界环境刺激，并对其进行分析、处理和响应的新型材料，是21世纪高技术新材料的发展方向。高分子智能材料融合了高分子科学、信息科学、生命科学等多学科知识，其中研究最多的就是高分子智能水凝胶。水凝胶是由具有亲水基团的大分子通过共价键、氢键、范德华力等作用交联形成的三维网络结构与溶剂水构成的多元分散体系，三维网络可以吸收并保留住水，而不会溶解于水。智能水凝胶，顾名思义，是一种智能化的水凝胶，相较于传统水凝胶对环境刺激的不敏感性，智能水凝胶则能对环境的微小变化和刺激做出一定的响应，故也称智能水凝胶为刺激响应性水凝胶，对外界刺激的响应一般表现为凝胶体积的变化。上个世纪70年代末，美国麻省理工学院的Tanaka等人[1]首先发现了凝胶的体积相转变。聚丙烯酰胺凝胶分散在水-丙酮溶液中，低温时，凝胶由透明状逐渐转变为不透明状，但加热后，凝胶又转变为透明状。进一步研究表明，溶剂浓度或温度的变化可使凝胶突然收缩或溶胀，说明在这一可逆过程中，聚合物网络的体积发生了相转变。

近十年来，纳米科技和智能材料高速发展。智能纳米水凝胶是粒径通常在1～1000nm，可感知外界刺激并做出响应的水凝胶粒子，其响应形式主要表现为凝胶体积、含水量、折光指数、胶体稳定性、软硬度、内部凝胶网络的通透性、亲水-疏水性等物理化学性能的变化[2-4]。智能纳米水凝胶除了具有刺激响应性外，还具有粒径小、比表面积大、响应快、稳定性好等特点，并且其生物相容性很好，因此在药物输送与可控释放、医学诊断、生物传感器、生物材料、催化剂载体、吸附与分离和水处等方面得到广泛应用，并在石油的三次开采、化妆品、涂料等领域显示出良好的应用前景，吸引了众多研究者的眼球，智能纳米水凝胶的开发和应用必将渗透到更加广泛的领域。

2　纳米水凝胶的合成方法

水凝胶因其对环境具有独特的响应性而得到广泛的研究与应用。Tanaka等[5]的研究表明，水凝胶溶胀或收缩达到平衡所需的时间与水凝胶的线性尺寸的平方成正比。也就是说，水凝胶的颗粒越小，对外界刺激的响应速度越快。下面简要介绍几种智能纳米水凝胶的合成方法。

2.1无皂乳液聚合法

无皂乳液聚合是指在反应过程中完全不加乳化剂或只加入微量乳化剂（浓度一般小于乳化剂的临界胶束浓度）的乳液聚合过程。李智慧等[6]以NIPAM为聚合单体，分别采用连续和间歇方式无皂乳液聚合法制备了一系列单分散性良好且粒径可精确控制的PNIPAM纳米凝胶。用透射电镜观察到制备的纳米凝胶在干燥状态下，呈现完整的球形，且其粒径分布均匀。并且随着交联剂含量的增加，纳米凝胶粒径从450nm减小到150nm；随着乳化剂用量的增加，纳米凝胶粒径明显减小，而且即使是加入极少量的乳化剂，纳米凝胶的粒径也会大大减小，可以通过调整乳化剂的量将纳米凝胶的粒径控制在200nm以下。肖新才等[7]采用无皂乳液聚合法制备了粒径在200～400nm范围内的P(NIPAM-co-Styrene)温度敏感型纳米凝胶，并系统地研究了影响凝胶单分散性和颗粒粒径及粒径分布的因素。无皂乳液聚合所得的纳米粒子的单分散性好，粒径比传统乳液聚合的大，另外因不使用乳化剂，降低了生成成本，得到的纳米粒子的表面比较纯净，省去了除乳化剂的后处理，降低了污染。

2.2 沉淀聚合法

沉淀聚合法是将反应前所有的单体、引发剂和交联剂都溶于反应介质中形成均相聚合反应体系。聚合物链的长度随着聚合反应的推进而增长，当达到一定长度后，聚合物链发生相分离而解析出来，然后在交联剂的作用下形成交联结构，得到最终的纳米水凝胶。陈海燕等[8]采用沉淀聚合法制备了PNIPAM和

（PNIPAM-co-AA）纳米水凝胶，通过透射电镜和马尔文粒度仪测定了纳米水凝胶的粒径分布在25～250nm范围内，且纳米水凝胶的颗粒大小可以通过改变表面活性剂十二烷基硫酸钠的用量进行调节。

2.3光聚合法

光聚合法是通过光化学反应使单体聚合的方法。很多单体都能在紫外光的照射下活化成自由基而进行聚合反应。孙汉文等[9]采用紫外光聚合法一步聚合制备了具有核壳结构的聚甲基丙烯酸聚乙二醇酯（PEGMA）磁性纳米凝胶，扫描电镜（SEM）和投射电镜（TEM）显示，干燥的PEGMA磁性纳米凝胶的形状较规整，且粒径约为：46nm；激光粒度分析仪（PCS）测得纳米凝胶的水合粒径为：68.4nm。宫培军等[10]采用相同的方法，以Fe3O4纳米粒子为磁核，合成了单分散性好、胺基功能化且具有核壳结构的聚烯丙基胺（PAAm）磁性纳米凝胶，TEM显示纳米凝胶粒子近似球形且粒径分布窄，平均粒径约为：34nm，纳米凝胶中磁含量高达88%，有望应用于生物大分子的分离等方面。

[1]TanakaT.CollapseofGelsandtheCriticalEndpoint.PhysicalReviewLetters，1978，40(12):820-823.

[2]王秀琴，查刘生.智能纳米水凝胶的应用研究进展[J].化工新型材料,2012,40(11):110-113.

[3]WuQL，TianP.AdsorptionofCu2+IonswithPoly(NIsopropylacrylamide-co-MethacrylicAcid)Micro/ Nanoparticles[J].JournalofAppliedPolymerScience,2008,109(06):3470-3476.

[4]MorrisGE，VincentB，SnowdenMJ.AdsorptionofLeadIonsontoN-IsopropylacrylamideandAcrylicAcidCopolymerMicrogels[J].Journalofcolloidandinterfacescience，1997，190(01):198-205.

[5]TanakaT，FillmoreDJ.KineticsofSwellingofGels[J].TheJournalofChemicalPhysics，1979，70:1214-1218.

[6]李智慧，刘志景，段翔远等.PNIPA纳米凝胶的性能表征与分子力学模拟[J].高分子材料科学与工程，2013,29(04):69-73,78.

[7]肖新才，褚良银，陈文梅.温敏型凝胶微球的粒径与单分散性研究[J].化工学报;2004;55(02):321-324.

[8]陈海燕，顾月清，胡育筑.pH及温度双重敏感性纳米粒水凝胶的制备及表征[J].中国医科大学学报.2007.38(01):25-29.

[9]孙汉文，张连营，朱新军等.PEGMA磁性纳米凝胶的光化学原位合成、表征及载药性能研究[J].中国科学B辑：化学,2008,38(11)：999-1005.

[10]宫陪军,吴文贤,姚思德等.胺基磁性纳米凝胶的光化学制备及形成机理[J].中国科学:化学,2011,41(05):840-849.

安珂(1991—)，男，河南南阳人，本科在读，研究方向：三次采油。