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小白再度科普，什么是水凝胶材料！


小白再度科普，什么是水凝胶材料！


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来源：高分子物理学
NO.1
水凝胶材料概述
水凝胶是一种可以在水中发生溶胀但是不溶解的一类交联聚合物 。 亲水小分子可以在水凝胶中进行扩散 。 水凝胶的微观结构网络如图所示 。

高分子水凝胶材料本身所具有的优越性能引起众多研究者极大的兴趣与关注 ， 相应的制备与开发研究日新月异 ， 其应用已渗入到农、林、牧、园艺、沙漠防治、医疗卫生、生物医药、建筑、石油化工、日用化工、食品、电子和环保等各个领域并仍在向更广阔的应用领域拓展 。
广义的水凝胶包括物理凝胶和化学凝胶 。 物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的 这种凝胶是非永久性的 通过加热凝胶可转变为溶液 。 化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物 是永久性的 又称为真凝胶 。 本文主要讨论具有交联网络结构的化学凝胶 。 同时 ， 水凝胶根据合成材料的不同 ， 分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶 。 根据凝胶的大小形状不同 ， 分为宏观凝胶和微观凝胶 。 水凝胶还有类似多种分类方式 。 [1

NO.2
水凝胶材料的制备
水凝胶材料的制备主要分为三种方法 ， 分别为单体交联聚合、接枝共聚和水溶性高分子交联三种方式 。 下文将对这三种制备方式逐一介绍 。
1. 单体交联聚合
单体交联聚合是指在交联剂存在的情况下单体经自由基均聚或共聚而制得高分子水凝胶材料的方法 。 在聚合反应过程中可以通过加入或改变引发剂、螯合剂、链转移剂等来控制聚合动力学 。 高分子水凝胶材料所具有的低交联网络结构对其凝胶膨胀能力和凝胶弹性模量两个最关键的性能起决定性作用 。 可通过变换聚合方法、单体种类和组成、交联剂结构和类型等重要变量来调控高分子水凝胶材料的性能 。
2. 接枝共聚
很多高分子水凝胶材料是由α-烯烃类单体在天然高分子(如淀粉、纤维素等)及其衍生物进行接枝共聚制得的 ， 自由基引发接枝共聚是最主要的接枝共聚方法之一 ， 常见的引发剂有硝酸铈铵和复合引发剂等 。
如图所示为淀粉接枝丙烯腈聚合机理和反应式 。
3. 水溶性高分子交联
水溶性高分子聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚丙烯酸(PAA)、聚N-甲基吡咯烷酮、聚胺等通过适度交联 ， 就可制得高分子水凝胶材料 。 该方法要求需要交联的原料必须为水溶性高分子 ， 对于交联剂而言 ， 必须是能与该种高分子的功能基反应的多官能团化合物或者多价态金属离子 。 由水溶性高分子制备高分子水凝胶材料的关键是交联度的控制 ， 化学试剂交联法主要依靠控制交联剂的加入量而辐射交联法的关键是辐射剂量的有效控制 。 [2

NO.3
水凝胶的应用
水凝胶的发展已经有了一定的基础 ， 并且在一定的领域也展现出优异的性能 。 下文将着重介绍有关水凝胶材料较为热点和突出的一些应用 。
1. 生物医疗领域
生物基水凝胶可以作为药物缓释和靶向传输载体 ， 其具有类似于人体组织结构的黏弹性和适宜的机械性能 ， 已成为组织工程支架的理想材料；其丰富的孔隙结构和良好的保水性也适于药物的封装和缓释 ， 在药物输送领域具有广泛的应用潜力 。
生物基水凝胶也可作为生物组织工程的修复材料 ， 生物基水凝胶网络中含有大量的水分 ， 同时具有很好的生物相容性和可降解性 ， 是理想的生物组织工程修复材料 。 作为组织工程的水凝胶支架需满足一定技术标准 ， 包括易加工性、生物降解性、生物相容性、生物活性和细胞黏附性等 ， 以有效地发挥作用并促进新组织的形成 。 [3
下图为利用羧甲基壳聚糖和无定型磷酸钙合成的新型纳米粒子复合水凝胶 ， 该水凝胶具有良好的生物相容性 ， 可作为组织支架有效支持充质干细胞增殖和细胞黏附 。

2. 导电水凝胶的应用
通过导电聚合物自组装或者与亲水性聚合物共聚 ， 亦或是引入导电盐、导电颗粒、碳纳米管等填充物到水凝胶中 ， 可以合成具有导电性能的水凝胶材料 。 导电水凝胶由于其出色的柔性可拉伸特性及良好的导电性能 ， 已然成为最具前景的柔性电子材料之一 。 其中 ， 柔性可拉伸传感是导电水凝胶极为重要的应用领域 ， 国内外研究者围绕导电水凝胶基传感器开展了大量的应用研究 。
导电水凝胶因其优异的柔韧性、拉伸性和高导电性 ， 在柔性传感领域中前景广阔 。 以导电水凝胶为敏感材料设计的柔性传感器在生物医学、可穿戴电子设备、健康监测等方面表现出巨大的应用潜力 。 导电水凝胶基传感器尽管优点众多 ， 但依旧存在不足 ， 如高温干燥环境下水分蒸发以及低温下水分凝结 ， 使得导电水凝胶基传感器的使用场景较为苛刻 。 [4

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