水凝胶合成

Materials Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Overview

资料来源:犹他州大学材料科学与工程系的安伯·巴伦、阿什利娅·帕特森和泰勒·斯帕克斯

水凝胶是一种多功能的交叉链接聚合物,通过相对简单的程序生产,材料通常价格便宜。它们可以通过溶液形成,并涉及由单体试剂形成的聚合物骨干,一种使聚合物反应的起重器,以及将聚合物链结合在一起的交联物种。这些材料的一个重要方面是,它们在水中膨胀,但这种反应可以进一步调整,以增强膨胀作为盐度,pH或其他信号的函数。作为最终产品,水凝胶可用于水环境或干燥环境中,具有一系列有用的特性,如灵活性、高吸光性、透明度和隔热性。它们通常用于液体吸收、传感器、消费品和药物输送。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 材料工程. 水凝胶合成. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

水凝胶是一类交叉链接聚合物,能够吸收数百倍于其在水中的重量。水进入网络,使聚合物骨干体上的亲水和/或离子物种溶解。水分子比溶解组大,它们在网络中的存在会导致水凝胶膨胀(图1)。连接聚合物主干的交叉链接可防止水凝胶溶解或断裂。

Figure 1
图1:水凝胶的水分化。

在此示例中,水凝胶通过自由基聚合合成。自由基是由自由基起发器(如2,2-Dimethoxy-2-苯甲酮(DMPAP)产生的未配对、高反应电子。紫外线将DMPAP中的碳-碳键剖叶,在每个碳原子上形成自由基(图2)。

Figure 2
图2:2,2-二甲氧基-2-苯甲苯酮分裂成两个自由基携带分子。

根类与聚合物骨干和交叉链接器中的双键和/或三重键发生反应。对于自由基聚合,聚合物骨干包含一个双键,可传播链。自由基与2-羟基乙酰丙烯酸酯中的碳-碳双键反应(图3),形成末端带有自由基的传播链(图4中的传播步骤)。从主干上脱落的羟基组可溶于水,导致交叉连接网络膨胀。

Figure 3
图3:2-羟基乙酸丙烯酸酯。

Figure 4
图4:UV启动自由基聚合步骤。

基体还与四乙二醇二甲酸酯(TEGDMA)中的两个碳-碳双键(图5)(化学交联剂)发生反应,将骨干链连接在一起。当自由基被消耗或完全反应时,水凝胶合成是完整的。

Figure 5
图5:四乙二醇二甲酸酯。

Procedure

预凝胶溶液是在1000μl试管中创建的;表1列出了材料、聚合作用和添加量。

材料 目的 结构 摩尔百分比
2,2-二甲氧-2-苯基-乙苯酚(DMPAP) 免费读取器(光发器) Equation 5  0.0012
2-羟基丙烯酸酯

(赫马)

聚合物骨干 Equation 6  21.2121
四乙二醇二甲酸酯 (TEGDMA) 交联器 Equation 7  3.0303
乙二醇

(EG)

溶剂 Equation 8 75.7576

表 1.水凝胶预凝胶成分,它们在水凝胶自由基聚合中的作用,化学2D聚合物结构,以及添加到预凝胶溶液中的量。

合成

  1. 在开始水凝胶合成之前,用两个玻璃玻片和三个520微米厚的聚烯烃片垫片组装了一个合成模具;此配置由活页夹保持在一起,如图6所示。大型玻璃玻片偏移几毫米,形成将预凝胶溶液移液到模具中的通道。
  2. 在开始水凝胶合成之前,获得1000μl试管,表1中描述的化学品,一个带清洁尖端的微移液器,并设置模具(图6)。所有工作都应在烟气罩内使用适当的个人防护设备 (PPE) 进行。PPE 包括安全眼镜或护目镜、实验室外套和防护手套。

Figure 6
图6:水凝胶合成模具,由两个玻璃玻片、三条520微米厚的聚烯烃片制成垫片,以及大型活页夹。

  1. 首先将0.0012摩尔百分比2,2-二甲氧基-2-苯基-乙苯酚(DMPAP),固体光敏启动器(由光启动的自由基启动器)添加到试管中。
  2. 加入21.2121摩尔%2羟基丙烯酸丙烯酸酯(HEMA),骨干分子,和3.0303摩尔%四乙二醇二甲丙烯酸酯(TEGDMA),将分子交联到试管,每次使用新的移液器尖端。TEGDMA 通过将聚合物链连接到网络聚合物中,在自由基存在的情况下将 HEMA 链进行化学交联。
  3. 使用涡旋机混合溶液,直到达到均质溶液。
  4. 测量 0.25 克溴化二醇紫色,并使用溶剂 75.7576 摩尔百分比乙二醇 (EG) 将其冲洗到溶液中。颜料仅用于观察目的(否则水凝胶是透明的),EG用作溶剂,溶解启动的自由基启动器,并保持水凝胶的弹性。
  5. 使用涡旋机混合溶液,直到颜料完全溶解,溶液均匀。
  6. 使用微移液器,通过将微移液器的尖端与大玻璃玻片的偏移边缘对齐,并将预凝胶溶液均匀地注入模具中心,将溶液放入模具中。
  7. 将模具放置在紫外线手电筒(Warson SK66)下方 5 厘米处,并照射模具一分钟。紫外线会收缩发起器物种的键,使它们变成自由基,然后攻击聚合物和交联分子。完全联网时,水凝胶应为具有 jello 状一致性的橡胶固体。
  8. 从灯中取出模具并拆卸模具配置。从玻璃玻片中取出水凝胶。
  9. 用去离子水冲洗水凝胶的两侧,以去除产品中的任何未反应的化学种类和寡聚物。
  10. 为了描述各种紫外线照射时间如何影响交联和膨胀能力的程度,此过程可以在变化步骤 9 时重复。对于表征,溶液暴露在紫外线下1分钟,1.5分钟和5分钟,共产生三个水凝胶。

表征

水凝胶的膨胀程度可以通过干燥、保湿,然后重新干燥聚合物来计算。

  1. 将成品水凝胶放入装有酒精(如同丙醇)的容器中,以便完全浸没。当酒精已取代水凝胶中的所有乙二醇时,在醇中离开 4-8 小时。
  2. 从酒精中取出水凝胶,在露天晾干,约30分钟。酒精蒸发速度比水或溶剂快,使水凝胶保持其结构。
  3. 称量干狗。
  4. 将水凝胶浸入DI水中至少30分钟,直到它们完全肿胀。从水中取出凝胶,轻轻擦干并称重。
  5. 使用等式计算膨胀程度: Equation 9 ,肿胀Equation 10聚合物的重量和Equation 11干聚合物的重量在哪里。

水凝胶是一种多功能的交叉链接聚合物,通过相对简单的程序使用通常价格低廉的材料生产。它们通常用于液体吸收剂、传感器、消费品和药物输送。水凝胶可以从溶液中形成,其起起器使单体剂反应,形成聚合物骨干。然后,交联物种将聚合物链结合在一起。这些材料的一个重要方面是,在存在水的情况下,它们膨胀。但是,这种反应可以进一步调整,以增强肿胀作为盐度,PH或其他信号的功能。水凝胶可用于水性或干燥性环境,具有一系列有用的特性,如灵活性、高吸光性、透明度和隔热性。本视频将说明水凝胶的合成和表征。

水凝胶能吸收数百倍于其在水中的重量。当水进入交联聚合物网络时,它会溶解在聚合物主干上的亲水、离子或两个物种。水分子比溶解组大。因此,它们在网络中的存在会导致水凝胶膨胀。当连接聚合物主干的交联链路防止其溶解或断裂时。水凝胶合成是一种生产这些交联聚合物材料的技术。这是一个简单的程序,但涉及有毒和易燃的化学品,因此需要极端的谨慎和预防措施。使用预凝胶成分,水凝胶可以通过自由基聚合制成。一种方法从 DMPAP 作为自由基启动器开始。

DMPAP中的碳-碳键被紫外线光所束缚,形成一个未配对的、高度反应的电子,称为每个碳原子上的自由基。自由基与HEMA中的碳-碳双键反应,形成一个带有自由基的突起链。从主干脱落的羟基组可溶于水,导致在存在水时交联网络膨胀。基器还与化学交联剂TEGDMA中的两个碳-碳双键发生反应。这将主干链连接在一起。当自由基被消耗,或已经完全反应,水凝胶合成完成。肿胀可以通过干燥、保湿,然后重新干燥聚合物来评估。在下一节中,我们将使用这种自由基聚合方法合成和描述水凝胶。

在开始水凝胶合成之前,收集必要的材料和化学品。先前组装的合成模具中的玻璃玻片偏移几毫米,从而形成将预凝胶溶液移液到模具中的通道。所有工作都应在烟雾中使用适当的个人防护设备进行,因为此过程涉及有毒和易燃的化学品。首先,在 1000 微升试管中添加 0.0012 mol% DMPAP。接下来,每次使用新的移液器将 21.2121 摩尔%的 HEMA 和 3.0303 mol% TEGDMA 添加到试管中。使用涡旋机混合溶液,直到达到均质溶液。将铲子浸入颜料 BCP 中,并使用 75.7576 mol% 的溶剂乙二醇将其冲洗到溶液中。

使用涡旋机混合溶液,直到颜料完全溶解,溶液均匀。这种颜料用于使透明水凝胶可见,而溶剂溶解自由基起激剂并保持水凝胶的弹性。使用与合成模具的偏移边缘对齐的微移液器将溶液沉积到模具中。将预凝胶溶液均匀地注射到模具中心。将填充的模具放在紫外线照射手电筒下方 5 厘米处,并照射模具一分钟。从灯中取出模具并拆卸,以便从玻璃玻片上取出水凝胶。

完全联网时,水凝胶应为具有 jello 状一致性的橡胶固体。用去离子水冲洗水凝胶的两侧,从产品中去除任何未反应的化学种类和聚糖物。在紫外线照射时间为 1.5 和 5 分钟时重复此过程,总共产生三个水凝胶。

将成品水凝胶浸入同丙醇容器中一至两小时。酒精将取代水凝胶中的乙二醇,使其在保持结构的同时快速干燥。从酒精中取出水凝胶,在露天晾干约30分钟。称重并记录每个干水凝胶的重量。将水凝胶浸入去离子水中,直到完全肿胀。从水中取出凝胶,轻轻擦干。称重并记录肿胀的水凝胶的重量。使用肿胀的水凝胶,Ws和干燥的水凝胶,Wd的重量,计算膨胀程度。

发现一分钟样本的肿胀程度约为136%,1.5分钟样本的肿胀程度为387%,5分钟样本的肿胀程度为81%。这些结果表明,在最长的紫外线照射时间,有较少的肿胀。由于在紫外线照射增加的聚合物分子之间形成更多的联系,聚合物链上有更多的弹性抑制力。这导致水凝胶与交联较少的水凝胶的交联扩张更少。

现在,您已经了解水凝胶的合成和特征化方法,让我们来看看它们在日常产品中的使用方式。消费类产品,如医院垫、女性卫生垫和尿布,含有最常见的超吸水聚合物之一。这种水凝胶可以膨胀,吸收高达800倍其重量的液体,使制造商能够创造苗条舒适的产品。本视频中合成的水凝胶用作草坪洒水器中的传感器。当草坪被浇水时,传感器与土壤接触并膨胀,直到触发洒水器关闭。

你刚刚看了乔夫关于水凝胶合成的介绍。现在你应该了解水凝胶是如何合成和特征的。谢谢你的收看。

Results

最终的水凝胶单体如图7所示,合成的水凝胶如图8所示。发现1分钟样本的肿胀程度约为136%,1.5分钟样本为387%,5分钟样本为81%。这些结果证明了交联程度或网络连接程度与膨胀能力之间的关系。聚合物分子之间的更多联系意味着这些聚合物链上具有更大的弹性抑制力,从而抑制它们膨胀到与较少交联的水凝胶相同的程度。

Figure 7
图7:自由基聚合后由光化剂DMPAP、HEMA骨干质、TEGDMA交联剂、EG溶剂和光致变色颜料产生的单体。

Figure 8
图8:聚合后的水凝胶。从左到右:聚合过程中在紫外线下1分钟,聚合期间在紫外线下1.5分钟,聚合期间在紫外线下5分钟。1 分钟样品看起来更透明,凝胶更类似 1.5 分钟和 5 分钟样品,其聚合程度越来越高

Applications and Summary

水凝胶合成是一种生产交联聚合物材料的技术,这种材料可以因液体、紫外线、pH或其他兴奋剂而膨胀。液体溶液组合合成有利于混合和形成水凝胶的简单性,但最终产品通常不纯,且往往含有低分子量的聚合物。这种特定的程序虽然简单,但涉及有毒和易燃的化学品,因此需要极其小心和预防措施。该方法生产的水凝胶可用于从药物输送到传感器到吸水性卫生产品的各种应用。

水凝胶用于各种消费品、医疗设备和传感器。医院垫、女性卫生垫和尿布等消费类产品含有聚丙烯酸钠,这是最常见的超吸收性聚合物之一。水凝胶在液体存在时膨胀,其重量在300-800倍之间。这使得制造商能够使用更少的材料,并创造出适合用户佩戴的纤薄舒适的产品。

此外,软隐形眼镜由硅胶水凝胶制成,使氧气能够轻松传递到角膜,并且比硬隐形眼镜更舒适。水凝胶也常用于药物输送,因为交叉链接网络允许药物储存在三维网络中,并缓慢地释放到体内。

水凝胶还可以根据盐度、pH 或其他信号进行调节,使其适用于传感器应用。本视频中合成的水凝胶用作洒水草坪传感器中的传感器。水凝胶与土壤接触,当草坪被浇水时,水凝胶会膨胀,直到触发洒水器关闭。

预凝胶溶液是在1000μl试管中创建的;表1列出了材料、聚合作用和添加量。

材料 目的 结构 摩尔百分比
2,2-二甲氧-2-苯基-乙苯酚(DMPAP) 免费读取器(光发器) Equation 5  0.0012
2-羟基丙烯酸酯

(赫马)

聚合物骨干 Equation 6  21.2121
四乙二醇二甲酸酯 (TEGDMA) 交联器 Equation 7  3.0303
乙二醇

(EG)

溶剂 Equation 8 75.7576

表 1.水凝胶预凝胶成分,它们在水凝胶自由基聚合中的作用,化学2D聚合物结构,以及添加到预凝胶溶液中的量。

合成

  1. 在开始水凝胶合成之前,用两个玻璃玻片和三个520微米厚的聚烯烃片垫片组装了一个合成模具;此配置由活页夹保持在一起,如图6所示。大型玻璃玻片偏移几毫米,形成将预凝胶溶液移液到模具中的通道。
  2. 在开始水凝胶合成之前,获得1000μl试管,表1中描述的化学品,一个带清洁尖端的微移液器,并设置模具(图6)。所有工作都应在烟气罩内使用适当的个人防护设备 (PPE) 进行。PPE 包括安全眼镜或护目镜、实验室外套和防护手套。

Figure 6
图6:水凝胶合成模具,由两个玻璃玻片、三条520微米厚的聚烯烃片制成垫片,以及大型活页夹。

  1. 首先将0.0012摩尔百分比2,2-二甲氧基-2-苯基-乙苯酚(DMPAP),固体光敏启动器(由光启动的自由基启动器)添加到试管中。
  2. 加入21.2121摩尔%2羟基丙烯酸丙烯酸酯(HEMA),骨干分子,和3.0303摩尔%四乙二醇二甲丙烯酸酯(TEGDMA),将分子交联到试管,每次使用新的移液器尖端。TEGDMA 通过将聚合物链连接到网络聚合物中,在自由基存在的情况下将 HEMA 链进行化学交联。
  3. 使用涡旋机混合溶液,直到达到均质溶液。
  4. 测量 0.25 克溴化二醇紫色,并使用溶剂 75.7576 摩尔百分比乙二醇 (EG) 将其冲洗到溶液中。颜料仅用于观察目的(否则水凝胶是透明的),EG用作溶剂,溶解启动的自由基启动器,并保持水凝胶的弹性。
  5. 使用涡旋机混合溶液,直到颜料完全溶解,溶液均匀。
  6. 使用微移液器,通过将微移液器的尖端与大玻璃玻片的偏移边缘对齐,并将预凝胶溶液均匀地注入模具中心,将溶液放入模具中。
  7. 将模具放置在紫外线手电筒(Warson SK66)下方 5 厘米处,并照射模具一分钟。紫外线会收缩发起器物种的键,使它们变成自由基,然后攻击聚合物和交联分子。完全联网时,水凝胶应为具有 jello 状一致性的橡胶固体。
  8. 从灯中取出模具并拆卸模具配置。从玻璃玻片中取出水凝胶。
  9. 用去离子水冲洗水凝胶的两侧,以去除产品中的任何未反应的化学种类和寡聚物。
  10. 为了描述各种紫外线照射时间如何影响交联和膨胀能力的程度,此过程可以在变化步骤 9 时重复。对于表征,溶液暴露在紫外线下1分钟,1.5分钟和5分钟,共产生三个水凝胶。

表征

水凝胶的膨胀程度可以通过干燥、保湿,然后重新干燥聚合物来计算。

  1. 将成品水凝胶放入装有酒精(如同丙醇)的容器中,以便完全浸没。当酒精已取代水凝胶中的所有乙二醇时,在醇中离开 4-8 小时。
  2. 从酒精中取出水凝胶,在露天晾干,约30分钟。酒精蒸发速度比水或溶剂快,使水凝胶保持其结构。
  3. 称量干狗。
  4. 将水凝胶浸入DI水中至少30分钟,直到它们完全肿胀。从水中取出凝胶,轻轻擦干并称重。
  5. 使用等式计算膨胀程度: Equation 9 ,肿胀Equation 10聚合物的重量和Equation 11干聚合物的重量在哪里。

水凝胶是一种多功能的交叉链接聚合物,通过相对简单的程序使用通常价格低廉的材料生产。它们通常用于液体吸收剂、传感器、消费品和药物输送。水凝胶可以从溶液中形成,其起起器使单体剂反应,形成聚合物骨干。然后,交联物种将聚合物链结合在一起。这些材料的一个重要方面是,在存在水的情况下,它们膨胀。但是,这种反应可以进一步调整,以增强肿胀作为盐度,PH或其他信号的功能。水凝胶可用于水性或干燥性环境,具有一系列有用的特性,如灵活性、高吸光性、透明度和隔热性。本视频将说明水凝胶的合成和表征。

水凝胶能吸收数百倍于其在水中的重量。当水进入交联聚合物网络时,它会溶解在聚合物主干上的亲水、离子或两个物种。水分子比溶解组大。因此,它们在网络中的存在会导致水凝胶膨胀。当连接聚合物主干的交联链路防止其溶解或断裂时。水凝胶合成是一种生产这些交联聚合物材料的技术。这是一个简单的程序,但涉及有毒和易燃的化学品,因此需要极端的谨慎和预防措施。使用预凝胶成分,水凝胶可以通过自由基聚合制成。一种方法从 DMPAP 作为自由基启动器开始。

DMPAP中的碳-碳键被紫外线光所束缚,形成一个未配对的、高度反应的电子,称为每个碳原子上的自由基。自由基与HEMA中的碳-碳双键反应,形成一个带有自由基的突起链。从主干脱落的羟基组可溶于水,导致在存在水时交联网络膨胀。基器还与化学交联剂TEGDMA中的两个碳-碳双键发生反应。这将主干链连接在一起。当自由基被消耗,或已经完全反应,水凝胶合成完成。肿胀可以通过干燥、保湿,然后重新干燥聚合物来评估。在下一节中,我们将使用这种自由基聚合方法合成和描述水凝胶。

在开始水凝胶合成之前,收集必要的材料和化学品。先前组装的合成模具中的玻璃玻片偏移几毫米,从而形成将预凝胶溶液移液到模具中的通道。所有工作都应在烟雾中使用适当的个人防护设备进行,因为此过程涉及有毒和易燃的化学品。首先,在 1000 微升试管中添加 0.0012 mol% DMPAP。接下来,每次使用新的移液器将 21.2121 摩尔%的 HEMA 和 3.0303 mol% TEGDMA 添加到试管中。使用涡旋机混合溶液,直到达到均质溶液。将铲子浸入颜料 BCP 中,并使用 75.7576 mol% 的溶剂乙二醇将其冲洗到溶液中。

使用涡旋机混合溶液,直到颜料完全溶解,溶液均匀。这种颜料用于使透明水凝胶可见,而溶剂溶解自由基起激剂并保持水凝胶的弹性。使用与合成模具的偏移边缘对齐的微移液器将溶液沉积到模具中。将预凝胶溶液均匀地注射到模具中心。将填充的模具放在紫外线照射手电筒下方 5 厘米处,并照射模具一分钟。从灯中取出模具并拆卸,以便从玻璃玻片上取出水凝胶。

完全联网时,水凝胶应为具有 jello 状一致性的橡胶固体。用去离子水冲洗水凝胶的两侧,从产品中去除任何未反应的化学种类和聚糖物。在紫外线照射时间为 1.5 和 5 分钟时重复此过程,总共产生三个水凝胶。

将成品水凝胶浸入同丙醇容器中一至两小时。酒精将取代水凝胶中的乙二醇,使其在保持结构的同时快速干燥。从酒精中取出水凝胶,在露天晾干约30分钟。称重并记录每个干水凝胶的重量。将水凝胶浸入去离子水中,直到完全肿胀。从水中取出凝胶,轻轻擦干。称重并记录肿胀的水凝胶的重量。使用肿胀的水凝胶,Ws和干燥的水凝胶,Wd的重量,计算膨胀程度。

发现一分钟样本的肿胀程度约为136%,1.5分钟样本的肿胀程度为387%,5分钟样本的肿胀程度为81%。这些结果表明,在最长的紫外线照射时间,有较少的肿胀。由于在紫外线照射增加的聚合物分子之间形成更多的联系,聚合物链上有更多的弹性抑制力。这导致水凝胶与交联较少的水凝胶的交联扩张更少。

现在,您已经了解水凝胶的合成和特征化方法,让我们来看看它们在日常产品中的使用方式。消费类产品,如医院垫、女性卫生垫和尿布,含有最常见的超吸水聚合物之一。这种水凝胶可以膨胀,吸收高达800倍其重量的液体,使制造商能够创造苗条舒适的产品。本视频中合成的水凝胶用作草坪洒水器中的传感器。当草坪被浇水时,传感器与土壤接触并膨胀,直到触发洒水器关闭。

你刚刚看了乔夫关于水凝胶合成的介绍。现在你应该了解水凝胶是如何合成和特征的。谢谢你的收看。

JoVE Science Education is free through June 15th 2020.

RECOMMEND JoVE