第三单体结构对温敏水凝胶相转变温度的影响

吴诗雯，陈小婷，任 豪，徐伟成，潘建军，闵 洁，何瑾馨，周奥佳

(1. 东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620； 2. 湖州出入境检验检疫局，浙江 湖州 313000)

水凝胶[1]是一类能够吸收水分但不会被水溶解的高聚物，其中温度敏感性水凝胶是研究最为广泛的一类智能水凝胶[2-3]。温敏性水凝胶分子结构中通常含有一定比例的疏水基团和亲水基团，温度的变化会破坏亲水基团与水分子之间的氢键作用，从而引起分子链亲疏水平衡发生改变，导致水凝胶在水介质中产生体积相转变。温敏性水凝胶发生体积相转变时的温度称为低临界溶解温度(lower critical solution temperature, LCST)[4]。若温敏性水凝胶在LCST前体积发生收缩，称之为“低缩型”水凝胶，反之称为“高缩型”水凝胶[5]。聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶是典型的高缩型水凝胶，其具有温敏效应的原因归功于体系中同时存在亲水性的酰胺基(—CO—NH—)和疏水性的异丙基(—CH(CH3)2)。由于N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)水凝胶的LCST在33 ℃左右[6-7]，非常接近人体体温，因此在生物医学领域受到广泛关注和研究[8-9]。但NIPAM的单一相转变温度限制了其在不同领域的应用，需对其进行相应的改性。

据相关报道，温敏性水凝胶的LCST与凝胶的亲疏水性相关，改变温敏性水凝胶中的亲疏水性比例，其LCST也会有相应的改变[10-11]。在原有的温敏性水凝胶中加入亲水性的第三单体，体系的LCST会升高[12]；而当加入疏水性的第三单体时，凝胶的LCST会下降[13]。Kaneko等[14]分别采用亲水性的丙烯酰胺(AAm)和疏水性的甲基丙烯酸丁酯探究单体的亲疏水性对PNIPAM凝胶LCST的影响，发现用亲水性的丙烯酰胺改性的PNIPAM的LCST升高，而用疏水性的甲基丙烯酸丁酯改性的PNIPAM的LCST降低。毛华华等[15]研究发现，丙烯酸酯与NIPAM共聚物的LCST随着酯类单体含量的增加而线性降低，并且酯类单体的疏水性越强，共聚物LCST下降的效果越明显。吴红等[16]通过调节NIPAM和AAm的配比，成功制备了LCST为41 ℃的P(NIPA/AAm)纳米凝胶。目前关于亲水性或疏水性单体对温敏性水凝胶LCST影响的研究已越来越广泛，但很少有研究系统性地探讨第三单体结构调控凝胶LCST的具体作用机理。

基于笔者课题组对温敏性水凝胶的研究[15-16]，本文旨在调节大颗粒体系温敏性水凝胶的LCST，选取2～4个碳的丙烯酸酯(结构式如图1所示)作为第三单体与NIPAM进行共聚，探讨第三单体的浓度、α-烷基、R基链长和碳链的异构化对温敏性水凝胶LCST的影响，为制备具有合适LCST的温敏性水凝胶提供理论指导，扩大温敏性水凝胶的应用范围。

1 试验部分

1.1 试验材料及仪器

NIPAM(工业级)；交联剂M(聚氧乙烯醚双马来酸酐单酯，实验室自制)；乳化剂(十八烷聚氧乙烯醚25，分析纯)；过硫酸铵(APS，分析纯)；丙烯酸乙酯(EA，分析纯)；丙烯酸正丙酯(PA，分析纯)；甲基丙烯酸异丙酯(iPMA，分析纯)；丙烯酸正丁酯(BA，分析纯)；甲基丙烯酸异丁酯(iBMA，分析纯)；甲基丙烯酸叔丁酯(tBMA，分析纯)；丙烯酸叔丁酯(tBA，分析纯)。

DGG-9070B型电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司)；BSA224S-CW型分析天平(赛多利斯科学仪器有限公司)；Nano-ZS型纳米粒度分析仪(英国马尔文仪器公司)。

1.2 温敏性异丙基丙烯酰胺共聚乳液的制备

称取5 g NIPAM、 0.25 g交联剂、2 g乳化剂和计量的第三单体(EA、 PA、 iPMA、 BA、 iBMA、 tBMA、 tBA)与20 mL的蒸馏水混合，搅拌溶解后转移到恒压滴管A中。取0.1 g APS和10 mL蒸馏水混合后加入到另一恒压滴管B中。向四口烧瓶中添加60 mL蒸馏水，然后在四口烧瓶上安装好恒压滴管和温度计，将滴管A中1/3的混合单体溶液转移到其中，低速搅拌，加热至70 ℃。同时向四口烧瓶中缓慢滴加滴管B中的引发剂APS溶液和滴管A中剩余的2/3单体溶液，两种溶液在1.0～1.5 h 内滴完。反应3 h后，升温至80 ℃，补加事先配制好的APS引发剂溶液(0.001 g APS溶于0.02 mL 蒸馏水)，保温2 h后降温，反应结束。反应过程如图2所示。

1.3 PNIPAM粒径测试

采用Nano-ZS型纳米粒度分析仪分别测试共聚物在20、 23、 26、 29、 32、 35和38 ℃下的粒径。

2 结果与讨论

2.1 未改性的温敏性水凝胶LSCT

本文选用交联剂M和N-异丙基丙烯酰胺进行聚合反应，合成具有网状结构的大颗粒温敏性水凝胶，测定不同温度条件下凝胶颗粒的粒径，结果如图3所示。由图3可知，未改性的PNIPAM温敏性水凝胶的LCST为32 ℃。当温度低于32 ℃时，温敏性水凝胶中具有亲水性的—CO—NH—与水分子之间存在氢键作用，使得大量水分子进入体系内部，水凝胶发生溶胀，整个分子链呈伸展的网状结构，水凝胶的三维网络结构可以结合足够多的水分子，使水分子包覆在体系内，因此水凝胶颗粒较大，约为300 nm。当温度高于32 ℃时，水凝胶吸收外界热量使体系中—CO—NH—与水分子之间的氢键发生断裂，凝胶结构内原有的水分子被排出，成为一个疏水的硬球结构，水凝胶颗粒的粒径随之减小，稳定在70 nm左右。本文所述方法可以合成具有良好温敏性且只存在单个相转变温度的均匀温敏性水凝胶。

2.2 EA改性对PNIPAM温敏性水凝胶LCST的影响

采用交联剂M和第三单体EA改性生成的PNIPAM温敏性水凝胶升温阶段粒径-温度关系如图4所示。由图4可知，在升温过程中，加入不同质量分数EA后，共聚形成的温敏性水凝胶的相转变过程中均只出现了一个LCST，并未出现两个或多个相转变温度。这表明所引入的第三单体EA与单体NIPAM发生了共聚，两者并未各自形成均聚物，且EA在温敏性水凝胶内部分布均匀，并未富集在内核形成核壳结构。此外，经EA改性后的PNIPAM的LCST都低于未改性的温敏性水凝胶颗粒的LCST，且随着EA质量分数的升高，温敏性水凝胶共聚物的LCST呈下降趋势，表明EA与NIPAM共聚所形成的凝胶的结构为无规共聚结构，并非嵌段共聚结构。

采用交联剂M和第三单体EA改性生成的PNIPAM温敏性水凝胶降温阶段粒径-温度关系如图5所示。从图5可以看出，在降温过程中，EA改性的PNIPAM仍能保持良好的温敏性且仅有单一相转变温度。降温过程中水凝胶的相转变行为与升温过程差异较小，且两个过程的LCST一致，存在良好的可逆性。

2.3 丙烯酸酯R基碳链长度及浓度对PNIPAM温敏性水凝胶LCST的影响

在采用N-异丙基丙烯酰胺和交联剂M进行聚合反应的过程中，加入不同质量分数(与NIPAM的质量百分比为2%、 4%、 6%、 8%和10%)的EA、 PA、 BA作为调节温敏性水凝胶LCST的第三单体，对温敏性水凝胶共聚物进行疏水改性，这三者为丙烯酸酯R基碳链不同长度对应的单体，共聚物分别命名为EAPNIPAM、 PAPNIPAM、 BAPNIPAM。测定不同温度条件下凝胶颗粒的大小，得到其相转变温度如图6所示。

由图6可知，丙烯酸酯类结构上的R基链的长短不同对温敏性水凝胶LCST的调节作用也不同。引入不同链长的第三单体后，温敏性水凝胶的LCST与未改性的温敏性水凝胶相比均下降，且相同质量分数下第三单体R基的碳链越长，LCST越低。这是因为引入的第三单体都具有不同程度的疏水性，且碳链越长，疏水性越强，与水分子之间的结合能力就会越弱。因此，水分子与凝胶体系间的结合力在更低温度下被破坏，水分子被排出凝胶体系，从而使凝胶体积发生相转变，LCST降低。

通过对EA、 PA、 BA改性的温敏性水凝胶的LCST与其用量进行线性拟合后发现，温敏性水凝胶的LCST随第三单体用量的增高而线性降低。这是因为第三单体的用量越多，体系中疏水单体所占的比例越高，共聚物网络结构中的氢键作用进一步被削弱，水分子得以在较低温度下被排出体系外，使得LCST下降。线性拟合后的回归系数KEA、KPA、KBA分别为-0.550、 -0.625、 0.825，表明BA对聚合物LCST的调控最为有效，即相同用量下，BA改性后聚合物的LCST下降得越多、越快。这是因为BA的疏水性最大，发生相转变速度较快，并且其用量越多，水凝胶网络结构收缩得越快；同时BA中的R基碳链最长，更易形成胶束，在合成温敏性水凝胶的过程中，大分子链越容易发生团聚，也越易从体系中脱除。因此，温度升高后，BA改性的温敏性水凝胶在疏水作用力的驱动下最易发生体积相转变。

2.4 丙烯酸酯α-烷基对PNIPAM温敏性水凝胶LCST的影响

为了探究第三单体中α-烷基对温敏性水凝胶LCST的影响，试验采用加入不同质量分数(与NIPAM的质量百分比为2%、 4%、 6%、 8%和10%)的tBMA、 tBA作为调节温敏性水凝胶LCST的第三单体，与交联剂M进行温敏性水凝胶的合成，合成的共聚物分别命名为tBMAPNIPAM和tBAPNIPAM，再测定不同温度条件下水凝胶颗粒大小和温度的关系，得到其相转变点温度如图7所示。

由图7可知，虽然tBMA比tBA多了一个甲基，但是两者各自对应的tBMAPNIPAM和tBAPNIPAM的LCST的影响几乎一样。再对两者质量分数和LCST进行线性拟合，结果表明KtBA、KtBMA分别为-0.775、 -0.750。由此可见，丙烯酸酯结构中α-烷基对调节温敏性水凝胶的LCST贡献不大。这与毛华华等[15]所得出的结论一致。

2.5 丙烯酸酯R基碳链的异构化对PNIPAM温敏性水凝胶LCST的影响

为了探究第三单体R基碳链异构化对PNIPAM温敏性水凝胶LCST的影响，选取PA和iPMA作为调节温敏性水凝胶LCST的第三单体，并与交联剂M进行合成，合成的共聚物分别命名为PAPNIPAM、 iPMAPNIPAM，再选取BA、 iBMA、 tBMA作为另一组对照，共聚物分别命名为BAPNIPAM、 iBMAPNIPAM、 tBMAPNIPAM。测定不同温度条件下凝胶颗粒大小和温度的关系，得到其相转变点温度如图8所示。

从图8可以看出，直链结构(PA和BA)改性后的聚合物体系的LCST最低，异丁酯结构(iPMA和iBMA)次之，叔丁酯结构(tBMA)最高。虽然叔丁酯结构中甲基数最多，表面张力最小，疏水性最大，但在聚合过程中，由于支链结构会破坏聚合物网络结构排列的有序性，不利于在升温失水过程中形成胶束，水分子的排出受到阻碍。因此叔丁酯结构改性的温敏性水凝胶的LCST会相对较高，异丁酯结构次之，直链结构最低。

再对上述第三单体质量分数与其相对应的LCST线性拟合后发现，KPA、KiPMA、KBA、KiBMA、KtBMA分别为-0.625、 -0.625、 -0.825、 -0.825、 -0.750，表明直链结构对共聚物体系LCST的调控作用最明显。这是因为聚合物网络结构越规整，越有利于大分子链的伸展与收缩，能更积极地响应温度的变化。

3 结 语

丙烯酸酯类疏水性第三单体可以与NIPAM单体共聚合成均匀的凝胶体系，且可以有效地调控温敏性水凝胶的LCST；第三单体R基碳链越长，温敏性水凝胶LCST值下降越多；温敏性水凝胶LCST随第三单体质量分数的增大而线性降低；丙烯酸酯上的α-甲基存在与否对温敏性水凝胶体系的LCST无显著影响；第三单体R基碳链的异构化结构中，直链烷基可以更有效地降低LSCT，而仲碳结构、叔碳结构降低LCST的作用依次减弱。