高分子综合实验探索与实践

张宏艳, 丁国新, 王艳丽

(安徽理工大学 材料学院， 安徽 淮南 232001)



高分子综合实验探索与实践

张宏艳, 丁国新, 王艳丽

(安徽理工大学 材料学院， 安徽 淮南 232001)

减少实验中验证性内容环节，结合现有的科研条件，开设研究性、探索性和创新性综合实验是高分子材料与工程专业人才培养目标的重要组成部分。“三元共聚智能水凝胶的制备与性能表征”是基础学科交叉的综合实验。旨通过实验训练，加深学生对实验的理解，提高其实验技能及合作交流的能力。

综合实验; 水凝胶; 高分子材料

0 引 言

高等学校人才培养目标中，实验教学是专业培养计划的重要组成部分，是为学生构建合理知识结构、培养动手能力和创造性思维的重要教学环节。随着教学改革的不断深入，如何开展高分子科学实验，发挥其应有的作用，对高分子材料与工程专业学生的培养显得尤为重要。基于以上考虑，根据学校要求，针对大三学生开设的本科教学实验中，在原有实验基础上，打破课程界限，重新设计了与其他实验环节密切联系的综合实验。注重知识体系系统性、整体性的同时，又使知识体系之间相互渗透。教学中采取以下方式，实践中取得了较好的效果。

1 实验方案的确定

随着科技不断进步，智能水凝胶的应用范围更加广泛，能够满足许多高新产业对材料的要求，例如隐形眼镜、药物缓释胶囊等。诸多的实验方法在提高水凝胶响应速率的同时却降低了水凝胶机械性能。本次综合实验的主要目的是制备出具有良好机械性能的多重响应型智能水凝胶。教师要求学生针对智能水凝胶查阅相关文献，了解材料的性质和应用意义写出文献综述，并制定合理的实验方案。每组同学选出研究组长，通过PPT汇报形式对实验方案进行答辩，并聘请相关的教师进行讨论，最终确立的实验方案[1,5]见图1。通过这种方式，既训练了学生查阅、总结文献的能力，又引起了学生对所发现问题进一步研究的兴趣，为学生在日后的科学研究中打下良好的基础。

2 实验方案的实施

实验类型不同，实验组织和实施形式也不同。对于普通的验证性实验要求个人独立完成；相对复杂的实验根据要求分组后共同完成。本实验将全班同学分成10组，每组4人，见表1，每组的试验过程和数据分析独立完成，最后将数据汇总。为了保证实验数据的准确，每组实验重复3次。通过这种形式，既让每个同学亲自动手操作、独立思考的同时，又使学生之间相互协作，让同学们深刻体会到科研合作的重要性[6-7]。

表1 实验分组

注：压缩强度的测定使用电脑单注拉力试验机，HP-6008

3 实验结果讨论

3.1 水凝胶抗压缩强度的测定

通过上表可以看出，当丙烯酰胺、聚乙二醇马来酸酐双酯用量不变时，随着N-异丙基丙烯酰胺用量逐渐增加，水凝胶的抗压强度总体变化不大。但改变聚乙二醇马来酸酐酯的用量时，水凝胶的抗压强度明显变化，呈现先增大后减少的趋势，图2 NAP2系水凝胶的应力形变图。NAP2系水凝胶内的聚乙二醇-马来酸酐双酯的含量分别是0、1.0、2.0、3.0、4.0，当聚马来酸酐-乙二醇酯的含量为2.0 mol时，即NIP∶AM∶PEGmah=1∶8∶2时，水凝胶的抗压缩性能最好。丙烯酰胺水凝胶脆性大，易断裂，由图可以看出随着PEGmah的加入抗压缩性能增强。当单体摩尔比1∶8∶2时水凝胶的抗压缩强度最大为315 kPa。这是由于PAM均聚物的连续相与共聚物微区之间并不是孤立的，两相之间存在一定的化学交联键，如氢键等作用力，形成过渡区域。凝胶受力时，过渡区域有利于两相之间力的传递，使凝胶力学性能提高[8]。随着PEGmah含量的增加，可以形成相对较大的聚集微区，吸收外力作用增强。但随着PEGmah含量的增加，与AM的比例超过2∶8时，微区域增加，相对连续相减少，使过渡区域吸收外力能力减弱，凝胶抗压性能降低。

图2 NAP2体系各组分应力-应变图

3.2 水凝胶响应性的测定

图3是NAP2体系水凝胶的pH敏感性研究。酰胺基是碱性基团，而PEGmah则带有酸性基团羧酸基-COOH。在pH值较低的溶液中，羧酸基团或羧酸与酰胺基团以及分子链之间都会发生氢键作用。氢键的产生使水凝胶收缩，因而吸水膨胀率很低。当溶液中的pH值不断增大时，羧基的离子化程度升高，溶液中含有大量的离子。水凝胶网络中的电荷浓度增加，各基团之间的静电作用力增强，基团之间会发生排斥作用，

破坏氢键，因而凝胶中的网络会舒展开来，使吸水膨胀率增加。当pH值超过7时，酰胺基团在碱性条件下会发生大量电离，使水凝胶网络之间的离子浓度更高，静电斥力更大，因此水凝胶的平衡溶胀比发生显著的增加。当溶液中的pH值继续增大时，水凝胶的吸水膨胀率也会随之增加[9-10]。

由图4可知，NAP2水凝胶在40℃左右其平衡溶胀比发生了突变。数据表明NAP凝胶属于温敏性水凝胶，该水凝胶的临界溶解温度(LCST)在40℃左右。原因在于NAP水凝胶体系中的丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇-马来酸酐双酯(PEGmah)的分子内含有大量的氨基-NH2和羧基-COOH,这两种基团都属于亲水性基团，因而提高了NAP水凝胶的亲水性能，继而使NAP水凝胶的LCST升高。

图4 温度对水凝胶平衡溶胀比的影响

图5所示为NAP1体系水凝胶在摩尔浓度分别为0、1、2、3、4 mol/L的NaCl溶液中的平衡溶胀比。水凝胶的平衡溶胀比随着盐溶液浓度的下降而下降。

水凝胶电解质分解后会产生分子链上的亲水性阴离子与游离的阳离子，阴离子之间的相互排斥作用使分子链扩张，水凝胶的吸水膨胀率增加。由于阴阳离子之间的相互吸引，游离的阳离子在水凝胶内部的浓度会远远大于外部溶液，故而产生渗透压，使水分子进入水凝胶。NaCl在溶液中会溶解、电离，生成盐离子，电解质离子进入水凝胶的网络结构中会发生屏蔽作用，而阴离子受到屏蔽作用后会减小分子链之间的排斥作用，使水凝胶结构收缩，吸水率下降[11-13]外部盐溶液浓度的增加，会减小水凝胶内外的渗透压，并使高分子链发生卷曲，水凝胶体积收缩。

图5 盐浓度对水凝胶平衡溶胀比的影响

3.3 NAP水凝胶的扫描电镜图

图6为NAP2-3水凝胶放大1 500倍和700倍时的扫描电镜图。该图位于连续相聚丙烯酰胺所在位置。由图可以看出，均聚物表面粗糙、呈麦穗状，有利于吸水溶胀。PEGmah本身是是高分子聚合物，在水凝胶反应中与其他两种单体相互反应后产生的共聚物具有较好的柔顺性，易形成片状共聚物。以图中圈中的分散相为例，共聚物呈树叶状，且表面有许多孔洞，有利于提高水凝胶的吸水率和平衡溶胀速率。共聚物分散相中的微区分散在水凝胶共聚物表面，且均聚物与共聚物之间以氢键链接，相互交联[14-15]。

图6 水凝胶的扫描电镜图

4 结 语

本学期的综合实验是初次在大三学生中开展。学生自己动手实验和思考实验现象与所学理论知识对照，即新鲜又刺激，提高了学生实验的热情和兴趣。同时锻炼学生自主处理各种科研问题的能力，实现理论与实践的统一，实验效果明显。

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Practice and Exploration on Polymer Synthesis Experiment

ZHANGHong-yan,DINGGuo-xin,WANGYan-li

(College of Material Science and Engineering, Anhui University of Science and technology, Huainan 232001, China)

Reducing the experimental verification of contents, combining with the existing conditions of scientific research, and developing exploratory and innovative experiments were the important parts of cultivation target of the high polymer material and engineering talents. “Preparation and properties of ternary copolymerization of intelligent hydrogels” was the foundation of interdisciplinary comprehensive experiment. The experimental training could deepen the understanding of the experiment. And also students would improve their experimental skills and the ability of cooperation and communication.

polymer synthesis experiment; hydrogels; polymer materials

2014-11-17

国家自然科学基金资助项目(No.51303005); 高分子材料与工程专业省级综合改革试点项目； 安徽理工大学重大教改项目

张宏艳(1979-)，女，吉林白山人，硕士，实验师，研究方向为功能高分子材料。Tel.:13956406178; E-mail：zhyymq@163.com

TQ 016

A

1006-7167(2015)11-0156-03