液晶和纳米粘土增强仿生复合凝胶的制备及性能研究

本项目通过对两亲性液晶组分鲸蜡醇聚氧乙烯醚的设计，使之具有聚合活性，利用其形成的"疏水相液晶交联结构"和无机纳米粒子硅酸镁锂的物理交联作用，采用互穿网络技术和紫外引发合成新型液晶和无机纳米粒子增强的仿生复合凝胶，使其在满足高透明度和溶胀度的同时，达到增强凝胶力学性能、提高温度响应速率的目的。研究两性可聚合液晶组分的最佳制备条件，揭示液晶组元与硅酸镁锂的相互作用，探讨投料比、交联度、光照时间、水含量和离子种类/强度等对凝胶结构、形貌、溶胀行为、光学和力学性能等的影响规律，优化工艺参数，构建仿生复合凝胶"合成条件-结构-形态-性能"的相互关系，揭示亲疏水链段长度与凝胶响应性和力学性能的内在联系。通过本项目的研究，可得到性能优异的水凝胶，为功能仿生凝胶的设计提供新思路和重要技术支持，缩短人工合成凝胶与天然生物凝胶的差距，有助于揭示生命体的奥秘。

液晶基凝胶由于具有可控的孔洞尺寸、快速的响应速率和增强的力学强度而受到广泛关注。为研究液晶表面活性剂与响应性凝胶的相互关系，阐明液晶基元亲疏水链段比例、浓度，以及交联剂种类对凝胶结构、形态和性能的影响规律，本项目主要开展了如下四方面创新性工作：(一)聚乙二醇十六烷基醚(Brij-58)的模板化作用。系统研究了Brij-58/N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)投料比对poly(NIPAm/MBA)和poly(NIPAm/nanoclay)纳米复合凝胶在模板前后的化学结构、孔洞形态、响应性、相变行为和力学性能的变化规律，证实了模板化作用，实现了对凝胶的孔洞尺寸的可控性，阐明了模板机理，克服了传统模板单一机理的解释理论。(二)亲疏水链段长度与液晶模板水凝胶作用规律。采用疏水烷基(C16H33)相同而聚氧乙烯链(CH2CH2O)n=2,10,20长度不同的苄泽(Brij52/56/58)作为模板制得Brij/poly(NIPAm/MBA)(HNB)和Brij/poly(NIPAm/nanoclay)(TNH)纳米复合凝胶，研究了Brij 52/56/58的液晶行为，以及三者对凝胶反应动力学、光学性能、孔洞尺寸和形态的影响规律。结果表明：以n=2的Brij52为模板制备的HNB52凝胶孔洞形态呈层状，溶胀度最小，为6.9g/g。而以n=10的Brij56为模板制备的HNB56凝胶孔洞呈蜂窝状，尺寸为40~80 µm，溶胀度最高为7.9 g/g。(三)可聚合双键液晶表面活性剂的合成及其共聚水凝胶的孔洞结构及蛋白吸附性能研究。首先通过酯化反应制得丙烯酸聚氧乙烯(20)鲸蜡醇酯(AAc-Brij-58)，并与NIPAm共聚制得poly(NIPAm-co-AAc-Brij-58)和poly(NIPAm-nanoclay-AAc-Brij-58)纳米复合凝胶。由FTIR和NMR证实了AAc-Brij-58和凝胶的结构，由UV/vis在线监控了凝胶预聚液的聚合过程，阐明了AAc-Brij-58/NIPAm对凝胶孔洞尺寸和形态的影响规律，探讨了凝胶对BSA的吸附和脱附行为。(四)可聚合液晶基微凝胶(ACM)及蛋白吸脱附行为。采用无皂乳液聚合法制备得到ACM微凝胶，研究了AAc-Brij-58/NIPAm和离子浓度对微凝胶的亲水性、粒径大小、稳定性、相变温度和对BSA的吸/脱附性的影响规律。