定向冷冻辐射聚合/交联法制备具有规则取向孔洞结构的水凝胶和其他类型高分子材料

提出一种新的制备具有规则取向孔洞结构和特殊性能的水凝胶、其他高分子材料和高分子纳米复合材料的方法－定向冷冻辐射聚合（交联）法。该方法首次将定向冷冻法和辐射聚合（交联）法结合在一起，具有原创性。首先将单体本体、单体溶液、聚合物溶液、单体或聚合物溶液与纳米粒子的混合体系在低温下定向冷冻，由于单体或溶剂的定向结晶，单体、聚合物或它们与纳米粒子的混合体系被定向分布；然后在保持冷冻状态下，用高能射线对上述体系进行辐照，实现单体或聚合物的辐射聚合（交联）反应，从而得到具有规则取向孔洞结构的各类材料。本项目的研究重点为利用定向冷冻辐射聚合（交联）法制备具有规则取向孔洞结构和高机械强度的水凝胶，此外还进行一些制备其他类型高分子材料和高分子纳米复合材料的工作。具有规则取向孔洞结构的水凝胶及其他材料在组织工程、微流体学、分子过滤、有机电子学等领域具有广阔的应用前景。

本项目开发了一种新的制备具有规则取向孔洞结构和特殊性能的高分子材料的方法－定向冷冻辐射聚合（交联）法，并进一步开发了定向冷冻氧化还原引发聚合法。采用丙烯酸(AA)、2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)、丙烯酰胺(AAm)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)以及N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)等水溶性单体，制备了单一组分或双组分凝胶。还通过定向冷冻-解冻方法制备了各向异性的聚乙烯醇(PVA)水凝胶，研究了PVA固含量、冷冻-解冻循环次数以及冷冻方式等对PVA水凝胶的结构与性能的影响。通过将HEMA或聚乙烯醇(PVA)溶液与氧化石墨烯(GO)或其他无机纳米粒子混合，或在凝胶形成过程中原位生成纳米粒子，得到了多种纳米复合凝胶。. 这些凝胶在微观结构上均具有各向异性，即具有沿冷冻方向定向规则取向的孔洞结构或具有多层次的孔洞结构，而且可以通过控制冷冻条件和单体浓度、种类等实现孔洞结构的调控。在以叔丁醇为溶剂时制得的凝胶呈现出一种纳米级的纤维状结构。. 这些凝胶通常具有较为优异的机械性能，表现为高的拉伸断裂强度（可达1 MPa以上）、压缩强度、模量以及撕裂能（可达1000 J m-2）。更有意思的是，这些凝胶均均表现出力学性能上的各向异性。除PVA凝胶外，在平行冷冻方向的拉伸强度、弹性模量和断裂应变均明显高于其在垂直于冷冻方向上的值。GO复合的凝胶的机械性能得到显著的提高。部分凝胶还表现出独特的脱水和吸水行为。. 还采用冷冻界面聚合法和常温界面聚合法制备了具有特殊形貌和高电导率的、大面积的自支撑聚吡咯薄膜聚吡咯薄膜。. 具有规则取向孔洞结构和优异力学性能的水凝胶及其他材料在组织工程、微流体学、催化、分离、分子过滤、有机电子学等领域具有广阔的应用前景。