可聚合聚氨酯表面活性剂及其水凝胶的制备与表征

【摘要】可聚合表面活性剂，与传统表面活性剂相比，也能使表面张力显著降低，且由于其分子结构中含有双键，在乳液聚合中，除了起到乳化作用的同时，还可以以共价键的方式键合到聚合物粒子表面，最终成为聚合物的一部分，避免了乳化剂从聚合物粒子上解吸或在乳胶膜中迁移，减少了传统表面活性剂的残留。聚氨酯表面活性剂与传统的小分子表面活性剂相似，也有良好的表面活性，并且有生物相容性。本文合成了三类可聚合聚氨酯表面活性剂，研究了它们的表面活性及可聚合性能，并将其应用于水凝胶的制备。具体研究内容如下：1.首先采用不同分子量的聚乙二醇（PEG）和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）反应，制备端羟基大分子，然后加入马来酸酐，引入双键和羧酸基团，再用有机胺中和，制得了一系列既有羧酸阴离子又有PEG非离子链段的可聚合聚氨酯表面活性剂PUI和PUII。该系列表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）约为0.002-0.013g/mL。对甲基丙烯酸酯单体的乳化效果很好，8h均不分层。对聚氨酯丙烯酸酯乳化，紫外光固化后测得约为83-85%的乳化剂参与了聚合反应。2.第二部分工作，是采用PEG和IPDI反应后，用丙烯酸-2-异氰酸乙酯（AOI）封端，制备了一类可聚合非离子聚氨酯表面活性剂PUIII和PUIV。PUIII，PUIV表面活性剂的CMC值是0.001g/mL，对甲基丙烯酸酯单体的乳化效果很好，8h均不分层。对聚氨酯丙烯酸酯乳化，紫外光固化后测得约为80%-84%的乳化剂参与了聚合反应。在此基础上，通过改进胶束共聚技术，以可聚合表面活性剂自组装形成的胶束做交联剂，与丙烯酰胺通过自由基共聚合制备了一类高弹性的水凝胶。当乳化剂浓度为0.005g/mL时，由PUIII，PUIV制得的水凝胶的断裂伸长率可达到1600%，850%。可通过改变可聚合表面活性剂的用量来改变其机械性能，且其机械能储存效率（回复率）在应变为400%时，高达96%。该水凝胶的高回复率是因为凝胶网络中胶束上的疏水氢键的可逆组装，削弱了凝胶的损耗断裂能。3.通常采用胶束共聚技术制得的具有较高机械性能的水凝胶，加入到大量水中后，凝胶会变脆，并失去最初的高机械性能。同时，大多数已报道的形状记忆水凝胶的形变和形状恢复过程都需要在较高温度（50-80℃）条件下进行。到目前为止，还没有既是高弹性又具有水响应形状记忆的水凝胶报道。基于第二部分工作，考虑到可以增加疏水链段来进一步改善水凝胶的机械性能，我们在PUIII和PUIV的基础上引入聚酯二元醇PBA疏水链段，得到可聚合聚氨酯表面活性剂PUV和PUVI，并研究了它们对丙烯酰胺水凝胶性能的可调控性。结果表明，由于PBA链段的疏水效应，采用可聚合聚氨酯表面活性剂PUV和PUVI均制备出了具有高弹性的水凝胶。当乳化剂浓度为0.01g/mL时，由PUV，PUVI制得的水凝胶的断裂伸长率可达到2400%，1280%。该水凝胶溶胀平衡后仍表现出高度的拉伸行为（断裂伸长率大于700%），及更好的回复性（几乎没有滞后作用和残余应变）。而且利用水凝胶的高弹性和脱水诱导丙烯酰胺网络的玻璃化转变，该水凝胶具有水响应形状记忆行为，在温和的环境下，即在10℃的水中，50min可回复到初始状态。PUV，PUVI表面活性剂的CMC值是0.001g/mL，对甲基丙烯酸酯单体的乳化效果很好，8h均不分层。对聚氨酯丙烯酸酯乳化，紫外光固化后测得约为82-84%的乳化剂参与了聚合反应。
【作者】赵婷婷；
【导师】黄鹤；郭明雨；
【作者基本信息】苏州大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】可聚合聚氨酯表面活性剂；胶束共聚技术；回复率；形状记忆；高弹性；

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