利用自由基聚合机理合成聚丙烯酰胺水凝胶(PAAM)和聚丙烯酰胺/CaCu3Ti4O12杂合水凝胶(PAAM/CCTO)。研究表明,当将CaCu3Ti4O12(CCTO)纳米粉末引入到PAAM网络中后得到的PAAM/CCTO杂合水凝胶能保持较好的膨胀性,同时发现,通过调节CCTO的含量可以增强杂合水凝胶pH敏感性。 The P(AAM) hydrogels and P(AAM)/CCTO hybrid hydrogels were prepared by free radical poly-merization methods. The experimental results revealed that P(AAM)/CCTO hybrid hydrogels show a stronger pH-sensitivity and higher swelling properties by adjusting or modulating the concen-tration of the CCTO.
张笑,贾小燕,刘展晴*
渭南师范学院化学与环境学院,陕西 渭南
收稿日期:2016年10月18日;录用日期:2016年11月6日;发布日期:2016年11月9日
利用自由基聚合机理合成聚丙烯酰胺水凝胶(PAAM)和聚丙烯酰胺/CaCu3Ti4O12杂合水凝胶(PAAM/CCTO)。研究表明,当将CaCu3Ti4O12(CCTO)纳米粉末引入到PAAM网络中后得到的PAAM/CCTO杂合水凝胶能保持较好的膨胀性,同时发现,通过调节CCTO的含量可以增强杂合水凝胶pH敏感性。
关键词 :杂合水凝胶,CaCu3Ti4O12(CCTO),pH敏感性
水凝胶是以水作为分散介质,具有网状交联结构的水溶性的高分子聚合物。其被广泛应用于多种领域,如:干旱地区的抗旱,在化妆品中的面膜,退热贴,镇痛贴等领域 [
试剂:丙烯酰胺(AAM)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、四甲基乙二胺(TEMED)、过硫酸铵(APS)、无机纳米化合物粉体CaCu3Ti4O12(CCTO)仪器:超声波清洗机(KH-100E型)﹑集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101S)、电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)。
配置4份相同的溶液,每份均由1 g的AAM 0.0082 g的BIS溶解于5.2 ml去离子水中,混合均匀后。分别取0.05 g (5%)、0.1 g (10%)、0.15 g (15%)的CCTO纳米粉末入到上述其中3份溶液中,将4组溶液分别放入超声波清洗机超声15 min,使CCTO在溶液中分散均匀。然后在搅拌的过程中,分别向4份溶液中加入0.5 ml的APS,0.12 ml的TEMED,继续恒温搅拌直至反应聚合。将制备好的水凝胶样品取出,浸入蒸馏水中浸泡除去未反应杂质。
首先分别将准确称量的纯凝胶和含不同CCTO(5%,10%,5%)的干凝胶放入烧杯中,加入去离子水和不同pH缓冲溶液(利用NaOH,HCl,Na2HPO4,NaH2PO4配制PH = 1.4,PH = 7.4,PH = 13的缓冲溶液),记录膨胀随时间的变化。注意在称量时,应用滤纸将表面多余的水吸去后准确称量为Ws,在这里,定义平衡溶胀比(ESR)和溶胀比(SR)分别为:ESR = (Ws − Wd)/Wd和SR = (Ws − Wd)/Wd式中:Ws—特定温度下水凝胶的质量;Wd—冷冻干燥后干凝胶的质量。对凝胶分别进行去离子水和不同pH (PH = 1.4,PH = 7.4,PH = 13)的缓冲溶液中溶胀比的测定并绘图(注:图中样品号1表示纯凝胶的溶胀比,2表示含CCTO为5%凝胶的溶胀比,3表示含CCTO为10%凝胶的溶胀比,4表示含CCTO为15%凝胶的溶胀比)。
图1为水凝胶样品在纯水的平衡溶胀比。从图一可以看出,通过适当加如适量CCTO纳米粉末(10% CCTO),可以改善杂合水凝胶在纯水中的平衡溶胀比,如果继续增加CCTO纳米粉末(15% CCTO),反而是杂合水凝胶的平衡溶胀比下降,其平衡溶胀比明显低于纯水凝胶,这可能是CCTO纳米粉末的引进阻挡了水凝胶的内部交联,是的凝胶内部交联密度降低,从而溶胀比增加。如果继续增加CCTO纳米粉末的含量,大量CCTO纳米粉末的存在,占据水分子的存在空间,使得的凝胶吸附水含量降低,所以出现平衡溶胀比下降的现象 [
从图2中可以得到,在PH为1.4的缓冲溶液中,纯水凝胶的溶胀比达到14以上。加如CCTO纳米
图1. 水凝胶在纯水中的平衡溶胀比
图2. 水凝胶在pH = 1.4的缓冲溶液中的溶胀比
粉末的杂合水凝胶的溶胀比均表现出降低的现象,含CCTO纳米粉末为10%的杂合水凝胶的溶胀比最低,含CCTO纳米粉末为5%和15%的杂合水凝胶的溶胀比几乎接近,但高于含10%的CCTO纳米粉末的杂合水凝胶。
从图3可以看出,其溶胀比变化和图一比较相似。出现了同样的变化趋势,含10%CCTO纳米粉末为的杂合水凝胶的溶胀比最低。
但是图2和图3中溶胶的溶胀性明显低于纯水环境下水凝胶的膨胀性,这可能归因于浸泡溶液的pH值和浸泡溶液中离子强度的不同所导致 [
从图4中可以得到,水凝胶在PH = 13的缓冲溶液中纯物质的溶胀响应仍然为最大,但不同的是而含CCTO纳米粉体为10%的杂合水凝胶的溶胀比比含CCTO纳米粉体为5%和15%的杂合水凝胶高,这
图3. 水凝胶在pH = 7.4的缓冲溶液中的溶胀比
图4. 水凝胶在pH = 13的缓冲溶液中的溶胀比
和在PH = 1.4和PH = 7.0的缓冲溶液中的杂合水凝胶的膨胀现象截然不同。同时也发现其溶胀性明显高于在PH = 1.4和PH = 7.0环境下水凝胶的膨胀性,这进一步证明了pH值对溶胶膨胀性能的影响。这可能归因于浸泡溶液的pH值和浸泡溶液中离子强度的不同所导致 [
同时由图2-4也可以看到,在低PH的缓冲溶液中含CCTO纳米粉体为10%的水凝胶溶胀比比其它杂合水凝胶溶胀比小,而在高PH的缓冲溶液中含CCTO纳米粉体为10%的杂合水凝胶的溶胀比比其它杂合水凝胶溶胀比高,因此可以得出:含CCTO纳米粉体为10%的杂合水凝胶具有更好的PH敏感性。同时也说明通过调节CCTO纳米粉末的含量可以调制水凝胶的PH敏感性胀。
利用自由基聚机理合成P(AAM)和P(AAM)/CCTO两种水凝胶,发现这些凝胶均表现出pH敏感性;同时发现含CCTO纳米粉体为10%的杂合水凝胶具有好的溶胀性和更加优越PH敏感性。
陕西军民融合发展基金(16JMR02),秦东化工,材料技术调查(14TSXK04):渭南师范学院研究项目(16ZRR02, 2015JYKX021);渭南师范学院大学生创新训练项目(15YXK025)。
张 笑,贾小燕,刘展晴. 聚丙烯酰胺/CaCu3Ti4O12杂合水凝胶的溶胀性及pH敏感性的研究Research of pH-Sensitive Properties and of Swelling Properties of P(AAM)/CCTO Hybrid Hydrogels in the Presence of CCTO[J]. 化学工程与技术, 2016, 06(06): 139-143. http://dx.doi.org/10.12677/HJCET.2016.66019