聚（N—異丙基丙烯酰胺）微凝膠的流變性能研究

于沖　宋韋汶　劉海濤　宋亞南　王毅

摘要：首先采用無皂乳液聚合法成功制備出粒徑均勻的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）微凝膠，利用動態光散射法（DLS）測得微凝膠的粒徑隨溫度的升高而下降，結果表明：PNIPAM微凝膠具有明顯的溫度敏感性。利用旋轉流變儀對微凝膠分散液的穩態和動態粘彈性進行了研究，結果表明：當溫度低于體積相轉變溫度（VTPP）時，微凝膠呈現出剪切變稀的特性；應力、應變保持不變，隨著溫度的升高及溫度不變，隨著頻率的增加微凝膠都由液態變成了粘彈性固體，這可能是由于出現了三維逾滲網絡結構造成的。

關鍵詞：無皂乳液聚合；微凝膠；溫度敏感性；流變行為；

中圖分類號：O 630 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0011-03

微凝膠是一種具有三維網絡結構分子內高度交聯的聚合物，其結構介于支鏈聚合物和宏觀網狀交聯網絡之間，微凝膠通常以膠態形式溶脹于一定溶劑中形成高度分散的體系，一般分散介質會因為鍵合作用等形式被鎖在聚合物網絡內，喪失其流動性。對于微凝膠的尺寸尚沒有統一的定義，粒徑大小只要符合50nm～5μm這個范圍內的凝膠粒子都可稱為微凝膠。

環境敏感性微凝膠是當外界的環境（例如：溫度、pH、光、電等）發生改變時會發生溶膠-凝膠（sol-gel）轉變，即形成（半）固體微凝膠，其具有豐富的相轉變行為，特別適用于構建原位凝膠系統，即原位形成微凝膠（in situ-forming microgel）。由于其具有簡單的凝膠化過程和對環境刺激的響應性，越來越多專家學者對原位形成微凝膠體系進行了深入的研究，主要應用在不經腸的藥物輸送系統、栓塞和組織工程等。其在栓塞和組織工程方面應用的主要優勢是創口小、易操作、不需要預設支架等；而作為藥物載體時，其具有靶向性、增加藥物的生物利用度和降低毒副作用等優點。

1 實驗部分

1.1 試劑

N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）分析純東京化成工業株式會社；

N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）分析純阿法埃莎（天津）化學有限公司；

過硫酸鉀（KPS）分析純國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器

頂置式電子攪拌器：EuRO-ST D S25，IKA；玻璃恒溫水浴鍋：SYP，鞏義市予華儀器有限責任公司；恒溫振蕩器：SHA-BA，常州澳華儀器有限公司；高速臺式離心機：TGL 20B c，上海安亭科學儀器廠；數控超聲波清洗器：KQ-300DE型，昆山市超聲儀器有限公司；透射電子顯微鏡（TEM）：JEM-100CXⅡ日本電子株式會社；冷凍干燥機：FD-1C-50，電熱恒溫鼓風干燥箱DHG-9140A上海精宏實驗儀器有限公司；傅里葉變換紅外光儀（FI-IR）NEXUS470美國熱電尼高力公司；流變儀ARES2000美國TA儀器公司；

1.3 實驗方案

（1）將6g的NIPAM溶解于裝有150mL二次蒸餾水的燒瓶中、將0.528g的BIS和0.1913gKPS混合溶解在裝有150mL二次蒸餾水的燒瓶中通過超聲震蕩使藥品全部溶解，然后依次倒入帶有機械攪拌器的500mL三口燒瓶中，通入氮氣，密封好并且開啟攪拌器（速度250r/min），通氮氣50min后將三口燒瓶移入70℃恒溫水浴內，拔出氮氣管并對裝置進行密閉，在此條件下反應6h。

（2）制得的微球乳液經離心沉降后，用滴管吸走上層分散液，將下層固體再用蒸餾水通過超聲震蕩分散成乳液，重復操作3次。然后取少量乳液分散于二次蒸餾水中，用注射器取微量上述分散液滴于銅網上進行自然干燥，最后用透射電子顯微鏡對微球形貌進行觀察。

（3）取少量PNIPAM微凝膠、將微凝膠用蒸餾水稀釋到合適的濃度之后裝入樣品瓶，利用DLS對微凝膠在16～50℃溫度范圍內的粒徑變化進行觀察。

（4）采用TA儀器公司的旋轉流變儀對凝膠的流變學行為進行研究。測試夾具選取40mm不銹鋼制平行板，控溫系統為水浴連接的Peltier系統底板。夾具與底板間隙設置為500μm，凝膠樣品的儲能模量（G）和損耗模量（G”）的測定均在頻率為1Hz，應變均為1%的條件下進行。

2 實驗結果與討論

2.1 PNIPAM微凝膠的TEM照片

利用無皂乳液聚合法，以N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為單體，過硫酸鉀（KPS）為引發劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）為交聯劑，制備出了亞微米級的PNIPAM溫度敏感型微球，在透射電子顯微鏡下對微球形貌進行觀察得到的TEM圖像如圖1。

圖1是PNIPAM微凝膠的微觀結構。從TEM圖像可以看出，得到的這種微凝膠呈現完美的球形，表面比較光滑，單分散性好，具有亞微米大小。

2.2 用動態光散射法測得的PNIPAM微凝膠在16～50℃的溫度下的粒徑特征

從圖2可以看出PNIPAM微球粒徑（D）是隨溫度m變化的曲線。開始時粒徑隨溫度變化較小，當到達一定的溫度之后，微凝膠的粒徑趨于穩定，其中達到31℃左右時粒徑大小隨溫度變化明顯，因此，微凝膠表現出的體積相轉變溫度（VPTT）大約在31℃，微球具有明顯的溫度敏感性。

2.3 PNIPAM微凝膠的黏度與剪切速率的關系

從圖3可以看出黏度隨剪切速率的增大而減小，最后趨于平緩，呈現明顯的剪切變稀特性，這是典型的假塑性流體的特征。當溫度低于體積相轉變溫度（VVIT）時，PNIPAM微凝膠是親水性的，酰胺基團和溶劑水分子因為形成氫鍵使其微凝膠內部含有大量的水分，高分子鏈段呈現自然卷曲的構象。隨著剪切速率的增大，高分子鏈在外界作用力下不再呈現自然卷曲狀態，從而，抗形變能力降低，表現出剪切變稀的特性。

2.4 PNIPAM微凝膠動態溫度掃描曲線

圖4是PNIPAM微凝膠在頻率為1Hz，應變為1%條件下的動態溫度掃描曲線，由圖可知，儲能模量（G''）與損耗模量（G'）在開始一段時間比較雜亂無章，當達到一定溫度后G，G'隨溫度變化明顯，且G隨溫度的變化比G''更劇烈，表現為類似于固體的性質，這可能是出現了三維逾滲網絡結構造成的。

2.5 PNIPAM微凝膠動態溫度掃描曲線

圖5為PNIPAM微凝膠分散體在25℃時的動態頻率掃描曲線，由圖可知在測定頻率的范圍內，樣品的儲能模量（G''）均大于損耗模量（G），G和G＼＼都隨頻率的增大而增大，G比G''隨頻率變化的更明顯，呈現固體的性質，這還是由于在高頻下凝膠粒子間的相互作用增強，可能出現了瞬態的三維逾滲網絡結構造成的。

3 結論

（1）PNIPAM微凝膠的尺寸大小隨溫度升高而下降，由此可知，微球具有明顯的溫度敏感性。

（2）PNIPAM微凝膠懸浮體的流變行為具有溫度敏感性，同時也受剪切速率和頻率的影響。