智能水凝胶综述
高强度电场敏感智能水凝胶 吕
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现 . 试验 线 结果 Your site here
LOGO 、 胶概 义 凝胶(gel)自古有之 自古有之 凝胶 ，一般将凝胶定义 为含有大量溶剂的 三维网络结构的高 三维网络结构的高 分子。 分子。 能够感知外界环境 变化而发生“体积 变化而发生 体积 相变”的凝胶称为 相变 的凝胶称为 智能凝胶。 智能凝胶。已知的 外部刺激有PH、 外部刺激有 、 温度、电场、 温度、电场、离子 强度、磁场、 强度、磁场、生物 分子、溶剂、 分子、溶剂、应力 压力等 、压力等。 卫生用品 食品 石油化工(封堵等) 石油化工(封堵等) 医药医疗(药物缓释 医药医疗( 系统、人共肌肉、 系统、人共肌肉、人 工角膜) 工角膜) 农业园艺( 农业园艺(水土保持 ) 仿生(人工爬虫、人 仿生(人工爬虫、 工翅膀) 工翅膀) 电子电机(电池、 电子电机(电池、传 感器) 感器) 化工(化学阀、 化工(化学阀、分离 介质) 介质) 备 高分子水凝胶可通 过天然高分子或人 工合成的可聚合单 体制备，通常采用 体制备， 自由基聚合反应 反应， 自由基聚合反应， 乙烯基单体通过引 发剂引发， 发剂引发，在水溶 液中进行自由基聚 合，同时与交联剂 交联共聚形成三维 交联共聚形成三维 网状结构的水凝胶 。 Your site here
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应 . 试验 线 结果 Your site here
LOGO 、电场 感 1、发 历 趋势 胶 Tanake 报 烯酰胺 Helen发现 Helen发现 烯 酮 加 NaCl?,???g NaCl?,???g 电场 缩。 触 时发 电压 缩。 Osada， Osada，聚 丙烯酰胺/ 烯酰胺 甲基丙磺 甲基丙磺 酸电场诱导 弯曲; Shiga给
Shiga给出 理论解释。 Kim，聚海 Kim，聚海 藻酸钠 藻酸钠/甲 基二烯丙 基
氯化铵可 逆弯曲性。 高力学强 高力学强度， 高敏感性的 复合凝胶， 微凝胶
颗 微凝胶颗粒， 纤维，薄膜 纤维，薄膜 等特种 等特种凝胶 层出不穷。 出不穷
1965 1982 1990 2003 Presence Your site here
LOGO 、电场 感 2.电场 2.电场 感 胶 质 胶 2.1膨胀和体积相变 凝胶的性质取决于他的网络结构及网络所包含的溶剂的性质。溶剂与 高分子链的亲和性越好，凝胶就越能膨胀。平衡时的膨胀程度与交联 的程度负相关。 凝胶的膨胀度q(V/V0)主要有三个因素决定:(1)低分子离子产生 的膨胀压力;(2)高分子间的亲和效果产生的收缩压力;(3)高分 子的弹性压力。三者平衡时，膨胀的凝胶呈平衡状态。 根据Flory-Huggins理论，平衡时凝胶的膨胀度由下式决定: 当高分子链上带有的电荷数f增大的时候，凝胶体积随着归一化 温度的变化做不连续的变化。 近几十年来，根据此图所揭示的体积相变原理，已研制出各种 能在某个条件(温度、PH、电场等)发生变化时，能产生较大 膨胀或收缩的新型凝胶。 Your site here
LOGO 、电场 感 2.电场 感 2.电场 2.2静电场分布 胶 质 胶 假设:电解质高分子构成的网络具 有三位规则规则结构，并将之用二 维格子的周期性叠加作近似。 方法:根据泊松-波尔兹曼分布模拟 计算。 结论:图中显示的是凝胶二维格子 上的静电场分布，图中的平面投影 对应于网络的格子面。静电场的陷 阱对应于网络的交联点，静电场峡 谷对应于高分子链。由于静电陷阱 由于静电陷阱 和静电峡谷的存在， 和静电峡谷的存在，凝胶对金属离 子具有很强的吸附能力。 子具有很强的吸附能力。 在分子链附近，尤其是在网络的交 联点附近，对离子的浓度非常大。 Your site here
LOGO 、电场 感 2.电场 2.电场 感 胶 质 胶 2.3导电性 相当于半导体的电导率，在所测浓度范围内 现实很小的浓度敏感性 导电性由远离高分子链的对离子产生。 导电性由远离高分子链的对离子产生。 高分子离子与束缚在周围的对离子均不能 移动，对导电率的贡献可以忽略不计。 根据Manning的”凝聚”效应 导电对离子占对离子总数的比例f: 热运动能/静 电排斥能 当量电导率 PAMPS:聚(2-丙烯酰胺-2-异丁基磺酸) 极限当量电 导率 Your site here
LOGO 、电场 感 2.电场 2.电场 感 ?质 胶 2.4电收缩 高度吸水膨胀的水凝胶放在一对 电极之间，然后加上适当的直流 电压，凝胶会收缩并释放所含的 水分。 网络上带正电的凝胶，在电场下， 水分从阳极放出，带负电则从阴极 放出，中性不发生电收缩现象。即 即 网络上带电是发生电收缩的必要条 件。 电收缩速度与电场强度成正比，与 水的粘度成反比。单位库仑量电流 引起的收缩量与凝胶的电荷密度成 反比，与电场强度无关。 Your site here
LOGO 、电场 感 2.电场 感 2.电场 2.5电弯曲 电解质凝胶在直流电场下的弯曲、变形主 要是由在凝胶面向电场正、负极的两侧产 生的渗透压差而产生。 聚离子在聚合物网络上保持不动，各离子 由于迁移速率不同而在凝胶内部产生离子 的浓度梯度，即凝胶面向电场正、负极的 两侧的离子浓度不同，从而产生一个渗透 压差。 对聚阴离子凝胶而言，施电场后由于其正 极侧的渗透压升高而负极侧的渗透压降低 ，且正极侧的渗透压大于负极侧的渗透压 ，所以正极侧的凝胶溶胀，负极侧的凝胶 收缩，因此凝胶弯向负极;同样，对聚阳 离子凝胶而言施加电场后凝胶弯向正极。 胶 质 胶 - + pam/paa/ppy(CB) Your site here
LOGO 、电场 感 2.电场 2.电场 感 胶 质 胶 2.6压电效应 在弱电解质凝胶上施加一定的 压力使其变形，弱电解质电离 集团的相对位置就会发生变化 ，因此凝胶内的PH值就会发生 变化。图为pam/paa形变和PH的 关系。 电解质凝胶在变形过程中，不 光是其弹性势能发生变化，于 此同时其静电能亦发生变化。 Your site here
LOGO 、电场 感 3、电场 感 胶 应 胶 Your site here
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LOGO 、高强 简介 胶 研究进 水凝胶用途虽多，但水凝胶中高聚物含量通常低于 10 wt%，90 wt%以上是水，无法承受较大的应力; 此外，由于交联点间的网链受到交联点的限制，链的 活动性降低。化学交联水凝胶的结构特点导致其力学 性能较差，因此在许多方面的应用受到限制。 近几年，对于高力学性能水凝胶的研究取得较大进展 ，出现了几种高力学性能的水凝胶，如滑动环水凝胶 ;双网络水凝胶;大分子微球复合水凝胶和纳米复合 水凝胶 Your site here
LOGO 、高强 1、滑动环水
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