高分子綜合實驗探索與實踐

張宏艷, 丁國新, 王艷麗

(安徽理工大學 材料學院， 安徽 淮南 232001)

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高分子綜合實驗探索與實踐

張宏艷, 丁國新, 王艷麗

(安徽理工大學 材料學院， 安徽 淮南 232001)

減少實驗中驗證性內容環節，結合現有的科研條件，開設研究性、探索性和創新性綜合實驗是高分子材料與工程專業人才培養目標的重要組成部分。“三元共聚智能水凝膠的制備與性能表征”是基礎學科交叉的綜合實驗。旨通過實驗訓練，加深學生對實驗的理解，提高其實驗技能及合作交流的能力。

綜合實驗; 水凝膠; 高分子材料

0 引 言

高等學校人才培養目標中，實驗教學是專業培養計劃的重要組成部分，是為學生構建合理知識結構、培養動手能力和創造性思維的重要教學環節。隨著教學改革的不斷深入，如何開展高分子科學實驗，發揮其應有的作用，對高分子材料與工程專業學生的培養顯得尤為重要。基于以上考慮，根據學校要求，針對大三學生開設的本科教學實驗中，在原有實驗基礎上，打破課程界限，重新設計了與其他實驗環節密切聯系的綜合實驗。注重知識體系系統性、整體性的同時，又使知識體系之間相互滲透。教學中采取以下方式，實踐中取得了較好的效果。

1 實驗方案的確定

隨著科技不斷進步，智能水凝膠的應用范圍更加廣泛，能夠滿足許多高新產業對材料的要求，例如隱形眼鏡、藥物緩釋膠囊等。諸多的實驗方法在提高水凝膠響應速率的同時卻降低了水凝膠機械性能。本次綜合實驗的主要目的是制備出具有良好機械性能的多重響應型智能水凝膠。教師要求學生針對智能水凝膠查閱相關文獻，了解材料的性質和應用意義寫出文獻綜述，并制定合理的實驗方案。每組同學選出研究組長，通過PPT匯報形式對實驗方案進行答辯，并聘請相關的教師進行討論，最終確立的實驗方案[1,5]見圖1。通過這種方式，既訓練了學生查閱、總結文獻的能力，又引起了學生對所發現問題進一步研究的興趣，為學生在日后的科學研究中打下良好的基礎。

2 實驗方案的實施

實驗類型不同，實驗組織和實施形式也不同。對于普通的驗證性實驗要求個人獨立完成；相對復雜的實驗根據要求分組后共同完成。本實驗將全班同學分成10組，每組4人，見表1，每組的試驗過程和數據分析獨立完成，最后將數據匯總。為了保證實驗數據的準確，每組實驗重復3次。通過這種形式，既讓每個同學親自動手操作、獨立思考的同時，又使學生之間相互協作，讓同學們深刻體會到科研合作的重要性[6-7]。

表1 實驗分組

注：壓縮強度的測定使用電腦單注拉力試驗機，HP-6008

3 實驗結果討論

3.1 水凝膠抗壓縮強度的測定

通過上表可以看出，當丙烯酰胺、聚乙二醇馬來酸酐雙酯用量不變時，隨著N-異丙基丙烯酰胺用量逐漸增加，水凝膠的抗壓強度總體變化不大。但改變聚乙二醇馬來酸酐酯的用量時，水凝膠的抗壓強度明顯變化，呈現先增大后減少的趨勢，圖2 NAP2系水凝膠的應力形變圖。NAP2系水凝膠內的聚乙二醇-馬來酸酐雙酯的含量分別是0、1.0、2.0、3.0、4.0，當聚馬來酸酐-乙二醇酯的含量為2.0 mol時，即NIP∶AM∶PEGmah=1∶8∶2時，水凝膠的抗壓縮性能最好。丙烯酰胺水凝膠脆性大，易斷裂，由圖可以看出隨著PEGmah的加入抗壓縮性能增強。當單體摩爾比1∶8∶2時水凝膠的抗壓縮強度最大為315 kPa。這是由于PAM均聚物的連續相與共聚物微區之間并不是孤立的，兩相之間存在一定的化學交聯鍵，如氫鍵等作用力，形成過渡區域。凝膠受力時，過渡區域有利于兩相之間力的傳遞，使凝膠力學性能提高[8]。隨著PEGmah含量的增加，可以形成相對較大的聚集微區，吸收外力作用增強。但隨著PEGmah含量的增加，與AM的比例超過2∶8時，微區域增加，相對連續相減少，使過渡區域吸收外力能力減弱，凝膠抗壓性能降低。

圖2 NAP2體系各組分應力-應變圖

3.2 水凝膠響應性的測定

圖3是NAP2體系水凝膠的pH敏感性研究。酰胺基是堿性基團，而PEGmah則帶有酸性基團羧酸基-COOH。在pH值較低的溶液中，羧酸基團或羧酸與酰胺基團以及分子鏈之間都會發生氫鍵作用。氫鍵的產生使水凝膠收縮，因而吸水膨脹率很低。當溶液中的pH值不斷增大時，羧基的離子化程度升高，溶液中含有大量的離子。水凝膠網絡中的電荷濃度增加，各基團之間的靜電作用力增強，基團之間會發生排斥作用，

破壞氫鍵，因而凝膠中的網絡會舒展開來，使吸水膨脹率增加。當pH值超過7時，酰胺基團在堿性條件下會發生大量電離，使水凝膠網絡之間的離子濃度更高，靜電斥力更大，因此水凝膠的平衡溶脹比發生顯著的增加。當溶液中的pH值繼續增大時，水凝膠的吸水膨脹率也會隨之增加[9-10]。

由圖4可知，NAP2水凝膠在40℃左右其平衡溶脹比發生了突變。數據表明NAP凝膠屬于溫敏性水凝膠，該水凝膠的臨界溶解溫度(LCST)在40℃左右。原因在于NAP水凝膠體系中的丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇-馬來酸酐雙酯(PEGmah)的分子內含有大量的氨基-NH2和羧基-COOH,這兩種基團都屬于親水性基團，因而提高了NAP水凝膠的親水性能，繼而使NAP水凝膠的LCST升高。

圖4 溫度對水凝膠平衡溶脹比的影響

圖5所示為NAP1體系水凝膠在摩爾濃度分別為0、1、2、3、4 mol/L的NaCl溶液中的平衡溶脹比。水凝膠的平衡溶脹比隨著鹽溶液濃度的下降而下降。

水凝膠電解質分解后會產生分子鏈上的親水性陰離子與游離的陽離子，陰離子之間的相互排斥作用使分子鏈擴張，水凝膠的吸水膨脹率增加。由于陰陽離子之間的相互吸引，游離的陽離子在水凝膠內部的濃度會遠遠大于外部溶液，故而產生滲透壓，使水分子進入水凝膠。NaCl在溶液中會溶解、電離，生成鹽離子，電解質離子進入水凝膠的網絡結構中會發生屏蔽作用，而陰離子受到屏蔽作用后會減小分子鏈之間的排斥作用，使水凝膠結構收縮，吸水率下降[11-13]外部鹽溶液濃度的增加，會減小水凝膠內外的滲透壓，并使高分子鏈發生卷曲，水凝膠體積收縮。

圖5 鹽濃度對水凝膠平衡溶脹比的影響

3.3 NAP水凝膠的掃描電鏡圖

圖6為NAP2-3水凝膠放大1 500倍和700倍時的掃描電鏡圖。該圖位于連續相聚丙烯酰胺所在位置。由圖可以看出，均聚物表面粗糙、呈麥穗狀，有利于吸水溶脹。PEGmah本身是是高分子聚合物，在水凝膠反應中與其他兩種單體相互反應后產生的共聚物具有較好的柔順性，易形成片狀共聚物。以圖中圈中的分散相為例，共聚物呈樹葉狀，且表面有許多孔洞，有利于提高水凝膠的吸水率和平衡溶脹速率。共聚物分散相中的微區分散在水凝膠共聚物表面，且均聚物與共聚物之間以氫鍵鏈接，相互交聯[14-15]。

圖6 水凝膠的掃描電鏡圖

4 結 語

本學期的綜合實驗是初次在大三學生中開展。學生自己動手實驗和思考實驗現象與所學理論知識對照，即新鮮又刺激，提高了學生實驗的熱情和興趣。同時鍛煉學生自主處理各種科研問題的能力，實現理論與實踐的統一，實驗效果明顯。

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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

國家自然科學基金資助項目(No.51303005); 高分子材料與工程專業省級綜合改革試點項目； 安徽理工大學重大教改項目

張宏艷(1979-)，女，吉林白山人，碩士，實驗師，研究方向為功能高分子材料。Tel.:13956406178; E-mail：zhyymq@163.com

TQ 016

A

1006-7167(2015)11-0156-03