光响应高分子凝胶的研究与进展

1. 光响应高分子凝胶的研究与进展 姜宏志 082074216

2. 目录 摘要与简介 光响应高分子凝胶的响应机理 光响应高分子凝胶的分类光响应高分子凝胶的应用 结束语 1 2 3 4 5

3. 1 摘要与简介 1.1 摘要 光响应高分子凝胶是智能高分子凝胶中的一种，近年来备受世界各国科学家的重视。综述了近年来光响应智能高分子凝胶材料的最新研究进展，具体介绍了光响应高分子凝胶的光响应机理、种类及目前的应用研究状况，并展望了其未来的应用研究与发展。

4. 1.2 简介 高分子凝胶是高分子链之间以化学键或物理作用力形成的交联结构的溶胀体，是由溶剂和高分子网络所组成的复合体系。高分子凝胶属于一种智能型高分子材料，能因环境的变化(如温度、pH、光、电场、磁场、压力等)而发生体积相转变，产生响应性。

5. 光响应高分子凝胶作为高分子凝胶中的一类，也是近年来光感应高分子材料中的又一新 兴分支，是一类在光作用下能迅速发生化学或 物理变化而作出响应的智能型高分子材料。

6. 2 光响应高分子凝胶的响应机理 • 光响应高分子凝胶的最大特点是响应过程具有可逆性，离开光的作用凝胶会恢复到原来的状态。有关光响应高分子凝胶的响应机理，目前正处于研究阶段，已经形成较为完善理论体系的有以下几种。

7. 2.1 将感光性化合物添加入高分子凝胶中 凝胶材料中含有感光性物质，感光物质吸收光能后导致材料温度、电场等环境因素发生改变，进而对 某一环境因素作出响应性。 (1) 在热敏型凝胶材料中引入特殊的感光化合物。 在外界光刺激下，感光性化合物可将光能转化为热能，致使材料内部的温度局部升高。当凝胶内部温 度变化 达到相转变温度时，凝胶就会作出相应的响应。

8. (2) 在凝胶材料中引入感光化合物，利用其遇光分解产生离子化作用来实现响应性。 在光的刺激下，光敏分子内部产生大量离子，高分子 凝胶中的离子进入凝胶的内部使凝胶中的渗透压发生 突变，外界溶液会向凝胶内部扩散，促使凝胶发生溶 胀形变，作出光响应。

9. 2.2 在高分子的主链或侧链引入感光基团 • 凝胶分子链上含有感光基团后，感光基团一旦吸收了光，在相应波长光能作用下就会引起电子跃迁而成为激发态。处于激发态的分子通过分子内或分子问的能量转移发生异构化作用，引起分子构型的变化，促使材料内部发生某些物理或化学性质的改变，进而产生一定的响应性。

10. 2.3 由多种组分构成的光响应体系 有些高分子凝胶体系中可同时含有多种对不同环境响应因素有响应性的组分，在光的作用下，各种组分协同作用，使材料在宏观上发生明显改变，作出响应。此类光响应凝胶材料可视用途不同而设计和改变组分与配方，从而拓宽光响应凝胶的品种。

11. 3 光响应高分子凝胶的分类 光响应高分子凝胶可以根据影响环境因素的多少分为单一光响应高分子凝胶、双重光响应高分子凝胶与多重光响应高分子凝胶。

12. 3.1 单一光响应高分子凝胶 单一光响应高分子凝胶的影响因素只有光照(可见光或紫外光)一个条件。响应过程中常常伴随着光敏变色。 所谓光敏变色也称光致变色，是指凝胶在一定波长光的照射下发生颜色改变，而在另一种波长的光作用下又会发生可逆变化，恢复到原来的颜色。

13. 3.2双重光响应高分子凝胶 (1)光一温度敏感型水凝胶 以含无色三苯基甲烷氢氧化物或无色氰化物与无色二(N，N-二甲基酰替苯胺)一4一乙烯基苯基甲烷衍生物、丙烯酰胺共聚可得光热刺激响应共聚物凝胶。对含有无色三苯基甲烷氰基的聚N_异丙基丙烯酰胺凝胶的平衡溶胀体积变化的温度依赖性，表现在无紫外线辐照时，30℃产生连续的体积变化；紫外光辐照时无色氰基产生光离解，凝胶产生不连续体积转变，温度由25℃逐渐升高，在32．6℃凝胶体积突变减少90％。在此转变温度以上，凝胶也在31．5。C发生不连续溶胀达10倍。如果将温度固定于32℃，凝胶在紫外线辐照与去除辐照时可起不连续的溶胀一收缩开关功能。

15. (2)光一pH敏感型水凝胶 图2—紫外光照时间对P(AA—00-AAAB)凝胶收缩率的影响 图1—pH对P(从·价黼)凝胶溶胀度的影响

16. 图1显示了溶液的pH值对P(AA-coAAAB)凝胶溶胀度的影响(AA和AAAB的摩尔比分别为95：5和90：10)。可以看出，共聚凝胶的溶胀度在pH值4～6范围内突然增大，随后趋于平缓。而且共聚凝胶中随AAAB比例增加，可使凝胶在更高的pH值下开始溶胀。pH引起的凝胶的溶胀是由于共聚凝胶中羧基由非电离态变为电离态，从而使大分子链由聚集态向伸展态转变所致。紫外光照射时间对凝胶尺寸的影响也很大。 如图2所示，紫外光照射后凝胶体积明显减小，发生收缩。而且随共聚凝胶中AAAB比例增加，凝胶收缩得越快。这主要是由于光致异构化所导致，偶氮生色团由反式构型变为顺式，生成的顺式构型偶氮生色团的共轭长度变短，所以宏观上表现为凝胶的体积减小。

17. 4 光响应高分子凝胶的应用 4.1 应用于调光材料 • 在水凝胶所包络的大量水中溶解另一种温敏性聚合物可制备高分子水凝胶光敏性遮光材料。该类材料存在一个“开关”温度TS，在此温度以下凝胶网络呈透明状，当温度升至Ts以上时，温敏性聚合物脱水合，转变为不溶于水的物质而沉淀。相分离而产生的微粒成为光散射中心，使透明的凝胶转变为乳白色，引起透光性的变化。

18. 4.2 应用于光控器件 利用光响应高分子凝胶材料体积相变特性可以开发凝胶在光开关、光传感器、光调节器等方面的应用。光响应高分子凝胶材料其功能实现完全由光来控制，不需要任何电池、电动机、齿轮等的介入，使得材料容易被小型化，为微型机器人与微机电系统提供重要的制动部件；可用于机械作业型、医疗型以及军事用途的微型机器人，以及微型阀门、微型泵的研究和开发。

19. 结束语 由于光源安全、清洁、易于使用、易于控制，因此与其它环境响应性高分子凝胶相比，光响应凝胶无论是在工业领域还是在生物医学领域都将具有广阔的应用前景。 在充分了解智能光响应高分子凝胶材料的基础上，利用高分子设计与合成原理可以合成出应用前景广阔的新的光感应材料。

20. 谢谢大家！