热响应聚合物水凝胶的研究进展

摘要：本文综述了热响应聚合物水凝胶的结构和合成方法，阐述了热响应聚合物水凝胶的应用及发展前景。

关键词：水凝胶、热响应、 聚合物

1. 热响应聚合物水凝胶概述

热响应聚合物水凝胶，作为一种具有显著热敏特性的高分子材料，近年来在材料科学领域引起了广泛关注。它能够在特定的温度范围内，通过调整其内部的物理和化学结构，实现水凝胶和溶胶之间的可逆转变。这种转变不仅赋予了热响应聚合物水凝胶独特的形态变化能力，还使其在温度调控下展现出不同的物理和化学性质，为各种应用场景提供了可能性[1]。

2. 热响应聚合物水凝胶的结构与合成

2.1结构特点

热响应聚合物水凝胶的构造通常由亲水性聚合物链与疏水性基团相互交织而成。这些链在水中通过氢键、范德华力等多种分子间作用力相互联结，进而构筑出一个复杂而稳定的三维网络结构。从而赋予水凝胶高吸水性和保水性。同时，疏水性基团的存在使得水凝胶在特定温度下能够发生相分离，导致水凝胶结构解体，转变为溶胶状态。这种独特的结构特点使得热响应聚合物水凝胶在温度变化时能够迅速响应，实现水凝胶-溶胶的可逆转变。

2.2合成方法

热响应聚合物水凝胶的制备通常涉及聚合反应和交联过程。通过选择合适的单体、引发剂、交联剂等原料，以及优化反应条件和参数，可以制备出具有不同性能的热响应聚合物水凝胶。Yeong 等[2]采用制备宏观水凝胶并解决了稳定性问题，Tang 等[3]将PNIPAM 水凝胶与聚两性电解质水凝胶混合，解决制备成本高的问题，表征了水凝胶对太阳光调制能力和稳定性。刘洋等[4]在PNIPAM中混入卡拉胶的方法，降低其分散性且对太阳光的调制做出解释。

3.聚合物水凝胶的应用

热响应聚合物水凝胶因其独特的热响应特性和生物相容性而具有广泛的应用前景。在药物控释系统中，热响应聚合物水凝胶可以作为药物载体，根据环境温度的变化控制药物的释放速率，提高药物的治疗效果。在组织工程领域，热响应聚合物水凝胶可以作为细胞培养的三维支架材料，为细胞的生长和分化提供适宜的环境，促进组织再生和修复。此外，热响应聚合物水凝胶还可以用于智能传感器、智能纺织品等领域，实现温度感知、调控和响应功能。其中的建筑物智能窗能在透明-不透明状态之间动态地转变，根据环境智能地调控进入建筑物内部结构的太阳辐射量[5]。温度升高，智能窗变的不透明，太阳光难以进入室内。目前，智能窗最重要的组成是刺激变色材料。目前，常见的刺激变色材料主要包括热致变色材料、电致变色材料和光致变色材料[6]。比较其余两种，热致变色材料更适用于智能窗。

4.聚合物水凝胶面临的问题

尽管热响应聚合物水凝胶具有诸多优点和应用前景，但其在实际应用过程中仍面临一些挑战和问题需要解决。例如，如何进一步提高热响应聚合物水凝胶的响应速度和灵敏度，以满足更多复杂场景的需求；如何优化其生物相容性和降解性能，以更好地应用于生物医学领域；如何降低生产成本并实现规模化生产，以满足市场需求等。针对这些问题，研究者们正在积极探索新的合成方法、改性技术和应用领域，以期推动热响应聚合物水凝胶的进一步发展。

5.总结与展望

热响应聚合物水凝胶作为一种具有独特性质和功能的新型材料，在药物控释、组织工程、智能传感器等领域具有广泛的应用前景。虽然目前仍面临一些挑战和问题，但随着纳米技术、生物技术等交叉学科的不断发展，热响应聚合物水凝胶与其他材料的复合和协同作用备受关注。通过将热响应聚合物水凝胶与其他功能性材料进行复合，可以赋予其更多的功能和特性，从而拓展其在更多领域的应用。

参考文献：

[1]陈冠桦，程欣瑶，翟迅，等.智能窗口用热响应聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶的研究进展[J].化工技术与开发，2024，53（04）：46-49.

[2]Yeong H L ，Yufeng C ，Shuguang B ， et al. A Dual-Responsive Nanocomposite toward Climate-Adaptable Solar Modulation for Energy-Saving Smart Windows.[J].ACS applied materials &interfaces，2017，9（7）：6054-6063.

[3]Polyethylene Glycols; Studies from Sichuan University Yield New Information about Polyethylene Glycols （Thermoresponsive Three-Stage Optical Modulation of a Self-Healing Composite Hydrogel）[J].Chemicals & Chemistry，2018，3147.

[4]刘洋，林振辉，陶涛，等.卡拉胶/聚（N-异丙基丙烯酰胺）基热致变色凝胶的构建与应用[J].复合材料学报，2022，39（12）：5966-5972.

[5]Wang M ，Gao Y ，Cao C ， et al.Binary Solvent Colloids of Thermosensitive Poly（N-isopropylacrylamide） Microgel for Smart Windows[J]. Ind. Eng. Chem. Res.，2014，53（48）： 18462-18472.

[6]Xie S ，Chen Y ，Bi Z ， et al.Energy storage smart window with transparent-to-dark electrochromic behavior and improved pseudocapacitive performance[J].Chemical Engineering Journal，2019，370：1459-1466.

本项目受到吉林省大学生创新创业项目资金资助（项目号：S202310191047）。