水凝胶
水凝胶分类
水凝胶分类
1、天然水凝胶：指自然界中存在的天然黏性物质，如膏体黏土、淤泥等形成的，它一般具有耐水、耐咸淡、耐热、耐油、耐酸碱、机械性能好等性能。
2、工业水凝胶：指用某种化学原料通过化学反应而得到的高分子物质限定物，它具有极高的粘度、耐油性、耐酸碱性、耐热性和韧性等性能，是最常用的水凝胶。
二、按粘度分
1、硬水凝胶：指粘度大于100000 mPa.s或可固化的水凝胶，它具有较好的机械性能，可以制成固体形态，有较好的水膜保护性能，常用于油气井封堵等。
2、软水凝胶：指粘度低于100000 mPa.s或可膨胀的水凝胶，它具有较好的机械性能，可以制成液体形态，常用于油气管道封堵、泥土改良等。
三、按用途分
1、工程水凝胶：指用于工程中的水凝胶，如砂浆制品、沥青混合料、冷水凝胶等，它具有良好的耐热性、耐水性和耐碱性等。
2、防水水凝胶：指用于防水领域的水凝胶，如涂料、膜等，它具有良好的防水性、耐热性和耐化学性等。
3、润滑水凝胶：指用于润滑领域的水凝胶，如润滑油、润滑剂等，它具有良好的防腐性、耐油性和流动性等。
- 1 -。
水凝胶的制备方法
生物交联法
01
定义：通过生物反应过程，使水凝胶的分子间形成交联结构
02
常用方法：聚合酶链反应、核酸酶降解法、生物催化剂法等
03
优点：制备过程简单、成本低廉、可实现大规模生产
04
缺点：交联程度受生物反应条件影响较大，可能导致凝胶强度不均
3
制备水凝胶的关键步骤
选择合适的交联剂
D
通过实验验证交联剂的选择是否合适
C 选择具有良好稳定性和耐水解性能的交联剂
B 根据水凝胶的应用需求，选择合适的交联方式
A 选择具有良好溶解性和生物相容性的交联剂
选择适当的起始材料
选择适合制 备水凝胶的 起始材料， 如纤维素、 明胶、海藻 酸钠等
选择合适的 起始材料浓 度，以保证 水凝胶的形 成和性能
根据需要选 择适当的交 联剂，如丙 烯酰胺、 N-乙酰氨 基葡萄糖等
选择适当的 反应条件， 如温度、时 间、pH值 等，以保证 水凝胶的形 成和性能
01
02
03
04
制备过程中的控制因素
01
材料选择：选择适当的水凝胶材 料，如聚乙烯醇、明胶等
03
温度控制：温度对制备过程中的 凝胶形成有重要影响，过高或过 低的温度都可能导致凝胶失败
02
浓度控制：根据需要调整溶液浓 度，以达到所需的凝胶强度和性 质
建筑领域：用于建筑保温、建 筑结构等方面
技术挑战与解决方案
水凝胶的稳定性问 题：通过选择合适 的材料和优化制备 工艺来提高水凝胶 的稳定性
水凝胶的生物相容 性：通过研究水凝 胶的结构和化学成 分来提高其生物相 容性
水凝胶的大规模生 产：通过优化生产 工艺和设备来提高 水凝胶的产量和质 量
水凝胶
水凝胶（Hydrogel）,以水为分散介质的凝胶。
具有交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团而形成能遇水膨胀的交联聚合物。
是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。
凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。
一，水凝胶的分类：1，来源：1),天然水凝胶2），合成水凝胶2，性质：1），电中性水凝胶2），离子型水凝胶3，对外界刺激的反应情况：1），传统的水凝胶2），环境敏感水凝胶传统的水凝胶：这类水凝胶对环境的变化，如PH或温度的变化不敏感。
环境敏感水凝胶：这类水凝胶对温度或PH等环境因素的变化所给予的刺激有非常明确或显著地应答。
目前研究得最多的是温敏型和pH敏水凝胶。
所谓温敏是指在水或水溶液中这种凝胶的溶胀与收缩强烈的依赖于温度，凝胶体积在某一温区有突变，该温度称为临界溶液温度（lower critical solution temperature, LCST）。
pH敏感水凝胶是指聚合物溶胀与收缩随着环境的pH、离子强度的变化而变化。
二，水凝胶的性质：不同结构，不同化合物的水凝胶具有不同的物理化学性质如融变性、溶胀性、环境敏感性和粘附性。
一），溶胀性（swelling）是指凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象，是弹性凝胶的重要特性，凝胶的溶胀分为两个阶段：第一阶段：是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层，此过程很快，伴有放热效应和体积收缩现象（指凝胶体积的增加比吸收的液体体积小）第二阶段：是液体分子的继续渗透，这时凝胶体积大大增加。
二），环境敏感性环境敏感水凝胶又称智能水凝胶（smart hydrogels）,根据环境变化的类型不同，环境敏感水凝胶又分为如下几种类型：1，温（热）敏水凝胶2，pH敏感水凝胶3，电解质敏感水凝胶三），粘附性（adhesiveness）粘附或称粘着或粘结等。
一般指的是同种或两种不同的物质表面相粘结的现象。
水凝胶实验报告
一、实验目的1. 了解水凝胶的基本概念和制备方法。
2. 掌握水凝胶的表征方法。
3. 研究不同制备方法对水凝胶性能的影响。
4. 分析水凝胶在生物医学、环境治理等领域的应用前景。
二、实验材料与仪器1. 实验材料：聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）、丙烯酸（AA）、氢氧化钠（NaOH）、氯化钙（CaCl2）、无水乙醇、蒸馏水等。
2. 实验仪器：恒温水浴锅、磁力搅拌器、电子天平、分析天平、烧杯、滴定管、移液器、剪刀、烘箱、电热鼓风干燥箱、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等。
三、实验方法1. 水凝胶的制备（1）PVA/SA水凝胶的制备将一定量的PVA溶解于蒸馏水中，加热搅拌至完全溶解。
待溶液冷却至室温后，加入一定量的NaOH溶液，调节pH值至7-8。
然后加入一定量的SA溶液，搅拌均匀。
将混合液倒入培养皿中，放入烘箱中干燥，得到PVA/SA水凝胶。
（2）PVA/AA水凝胶的制备将一定量的PVA溶解于蒸馏水中，加热搅拌至完全溶解。
待溶液冷却至室温后，加入一定量的NaOH溶液，调节pH值至7-8。
然后加入一定量的AA溶液，搅拌均匀。
将混合液倒入培养皿中，放入烘箱中干燥，得到PVA/AA水凝胶。
2. 水凝胶的表征（1）扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶的微观结构。
（2）傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析水凝胶的官能团。
（3）测量水凝胶的溶胀率和力学性能。
四、实验结果与分析1. SEM观察PVA/SA水凝胶的微观结构呈现为多孔状，孔径大小不一，有利于物质的传输。
PVA/AA水凝胶的微观结构呈现为均匀的网状结构，有利于提高水凝胶的力学性能。
2. FTIR分析PVA/SA水凝胶和PVA/AA水凝胶在红外光谱中均出现了PVA的特征吸收峰，同时SA 和AA的特征吸收峰也得到了体现。
这表明水凝胶中PVA、SA和AA的化学键得到了有效连接。
3. 溶胀率和力学性能PVA/SA水凝胶的溶胀率较高，可达200%以上，具有良好的水溶性和生物相容性。
水凝胶的制备原理
水凝胶的制备原理水凝胶是一种具有三维网状结构的高分子材料，其制备原理主要通过聚合反应实现。
水凝胶具有较强的吸水性能和保水性能，被广泛应用于医药、农业、环境保护等领域。
本文将详细介绍水凝胶的制备原理及其应用。
一、水凝胶的制备原理水凝胶的制备原理主要涉及两个关键步骤：单体聚合和交联反应。
1. 单体聚合单体聚合是水凝胶制备的第一步。
单体是指能够进行聚合反应形成高分子聚合物的物质。
常见的单体有丙烯酸、丙烯酰胺等。
单体在适当的反应条件下，如温度、催化剂等的作用下，发生聚合反应，形成线性高分子链。
2. 交联反应交联反应是水凝胶制备的关键步骤。
交联是指将线性高分子链通过化学键或物理结构连接在一起，形成三维网状结构。
交联可以增强水凝胶的稳定性和力学性能。
交联反应可以通过多种方法实现，如化学交联、物理交联等。
化学交联是指在单体聚合的同时引入交联剂，交联剂与单体发生反应，形成化学键连接。
常见的交联剂有甲醛、甲基丙烯酸酯等。
化学交联反应需要适当的温度和时间来控制交联程度。
物理交联是指通过物理相互作用力将线性高分子链连接在一起，形成物理结构。
常见的物理交联方法有冷冻干燥、热凝胶等。
物理交联反应相对简单，但其稳定性和力学性能较差。
二、水凝胶的应用水凝胶具有良好的吸水性能和保水性能，被广泛应用于各个领域。
1. 医药领域水凝胶在医药领域有着重要的应用。
例如，水凝胶可以用作口腔粘膜贴剂，可以在口腔黏膜上形成保护性薄膜，具有缓解疼痛、促进伤口愈合等作用。
此外，水凝胶还可以用于制备人工角膜、人工关节等医疗器械。
2. 农业领域水凝胶在农业领域有着广泛的应用。
水凝胶可以增加土壤保水性能，提高土壤肥力，促进植物生长。
此外，水凝胶还可以用于植物保护剂的载体，提高植物保护剂的利用率和效果。
3. 环境保护领域水凝胶在环境保护领域有着重要的应用。
例如，水凝胶可以用于污水处理，吸附和分解有机污染物。
此外，水凝胶还可以用于土壤修复，吸附和稳定重金属离子，减少土壤污染。
水凝胶标准
水凝胶标准水凝胶标准如下：1.定义和分类水凝胶是一种由水溶性或亲水性高分子聚合物形成的新型凝胶材料。
它具有良好的生物相容性、高吸水性和一定的机械强度等特点，被广泛应用于医疗、制药、化妆品、个人保健、石油、粘蚊剂、造纸、纺织印染等行业。
根据性质和应用领域，水凝胶可分为物理水凝胶和化学水凝胶两大类。
物理水凝胶是通过物理交联形成的，具有永久性吸水性；化学水凝胶是通过化学反应交联形成的，具有更好的机械强度和稳定性。
2.原材料和制备方法水凝胶的主要原材料包括天然高分子材料（如淀粉、纤维素、胶原蛋白等）和合成高分子材料（如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等）。
制备水凝胶的方法通常包括溶胶-凝胶法、反相乳液法、气凝胶法等。
其中溶胶-凝胶法最为常用，是将聚合物溶液与交联剂混合，然后通过物理或化学作用形成三维网络结构的过程。
3.性能指标水凝胶的性能指标因应用领域而异，但主要包括以下几个方面：力学性能：包括弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率等，与水凝胶的使用寿命和使用时的稳定性有关。
化学性能：包括溶胀率、降解性、化学稳定性等，与水凝胶在体内外的化学环境中的反应有关。
物理性能：包括粒度、分布、溶液黏度等，与水凝胶的制备和使用过程中的工艺控制有关。
4.安全性评估水凝胶作为生物医学材料，必须进行安全性评估。
应检测水凝胶中重金属、有害物质、卫生标准等，确保其无毒无害。
此外，还应评估水凝胶在体内外环境中的生物相容性和生物降解性，以确保其不会对人体和环境造成不良影响。
5.生产过程的质量控制生产过程的质量控制是保证水凝胶产品质量的关键。
应严格控制生产环境，确保车间清洁、卫生，同时对原材料进行严格检验，确保其质量和卫生标准。
在生产过程中，应制定合理的工艺流程和操作规程，并对关键工艺参数进行严格控制，以确保产品质量稳定。
成品检验是保证产品质量的重要环节，应对产品的性能指标、安全性评估等方面进行全面检测，确保产品符合相关标准和客户要求。
6.产品的稳定性评估产品的稳定性评估是保证水凝胶产品质量和性能的关键。
水凝胶的定义及分类
水凝胶的定义及分类水凝胶是一种由水和高分子物质组成的胶体，具有高吸水性和保水性能。
它的主要特点是在吸水后能形成类似凝胶的结构，具有柔软、透明、弹性好的特性。
水凝胶广泛应用于医疗、农业、工业等领域，具有重要的价值和意义。
根据其基本成分的不同，水凝胶可以分为天然水凝胶和合成水凝胶两大类。
天然水凝胶是指从天然材料中提取的水凝胶，如海藻酸钠、明胶等。
这些天然材料具有良好的生物相容性，不会对人体和环境造成危害，因此在医疗领域得到广泛应用。
合成水凝胶则是通过化学方法合成的水凝胶，如聚丙烯酰胺凝胶、聚酰胺凝胶等。
合成水凝胶具有可控性强、性能稳定等特点，广泛应用于工业和农业领域。
根据其功能和应用领域的不同，水凝胶可以进一步分为医用水凝胶、农用水凝胶和工业水凝胶三类。
医用水凝胶主要用于医疗领域，如创伤敷料、药物传递系统等。
它具有良好的生物相容性和可控释放的特性，能够有效地促进伤口愈合和药物的吸收。
农用水凝胶主要用于农业领域，如保水剂、土壤调理剂等。
它可以吸收大量的水分，并稳定地释放给植物，提供充足的水分和营养，有助于提高农作物的产量和质量。
工业水凝胶主要用于工业领域，如油水分离剂、吸附剂等。
它具有很强的吸附能力，可以有效地吸附和分离各种物质，广泛应用于环保和化工领域。
水凝胶作为一种新型材料，具有广阔的应用前景。
未来，随着科学技术的不断发展和创新，水凝胶的性能和应用领域将会进一步扩展。
从目前来看，水凝胶已经在医疗、农业和工业领域取得了显著的成就，并得到了广泛的应用和推广。
然而，水凝胶在生产和应用过程中仍然存在一些问题，如成本较高、合成方法复杂等。
因此，需要进一步加强研究和开发，改进水凝胶的性能和制备工艺，以满足不同领域的需求。
水凝胶作为一种具有高吸水性和保水性能的胶体材料，具有广泛的应用前景和重要的价值。
通过对水凝胶的分类和应用领域的介绍，可以更好地了解水凝胶的特点和用途。
未来，水凝胶的发展将会为人类的生活和产业带来更多的创新和改进。
本科水凝胶实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解水凝胶的基本概念、分类及特性。
2. 掌握水凝胶的制备方法，包括交联剂的选择、交联条件等。
3. 学习水凝胶的性能测试方法，如溶胀率、力学性能、溶胀动力学等。
4. 分析水凝胶在不同应用领域的应用前景。
二、实验原理水凝胶是一种具有三维网络结构的聚合物材料，具有高水含量、一定力学性能和良好生物相容性等特点。
水凝胶的制备通常采用交联剂使聚合物分子链发生交联，形成三维网络结构。
根据交联方式的不同，水凝胶可分为物理交联水凝胶和化学交联水凝胶。
三、实验材料、用具及试剂1. 材料：聚乙烯醇（PVA）、交联剂（乙二醛、戊二醛等）、NaOH、蒸馏水等。
2. 用具：磁力搅拌器、电子天平、烧杯、滴定管、锥形瓶、移液器、烘箱、冰箱等。
3. 试剂：PVA、交联剂、NaOH、氯化钠、氯化钙、盐酸等。
四、实验步骤1. 准备PVA溶液：称取一定量的PVA，加入适量的蒸馏水，在磁力搅拌器上加热溶解，待溶液冷却至室温。
2. 配制交联剂溶液：根据实验要求，配制一定浓度的交联剂溶液。
3. 制备水凝胶：将PVA溶液与交联剂溶液混合均匀，倒入培养皿中，放入烘箱中干燥至一定程度，取出后放入冰箱中冷藏。
4. 性能测试：a. 溶胀率测试：将水凝胶放入一定浓度的盐溶液中，在一定温度下浸泡一定时间，取出后称量，计算溶胀率。
b. 力学性能测试：将水凝胶在电子万能试验机上拉伸，记录断裂强度和断裂伸长率。
c. 溶胀动力学测试：将水凝胶放入一定浓度的盐溶液中，在不同时间取出，测量其溶胀率。
五、实验结果与分析1. 溶胀率测试：根据实验数据，计算出不同交联剂和不同温度下的溶胀率，分析溶胀率与交联剂、温度等因素的关系。
2. 力学性能测试：根据实验数据，分析水凝胶的断裂强度和断裂伸长率与交联剂、温度等因素的关系。
3. 溶胀动力学测试：根据实验数据，分析水凝胶的溶胀速率与交联剂、温度等因素的关系。
六、实验结论1. 水凝胶的制备方法简单，通过选择合适的交联剂和交联条件，可以制备出具有良好性能的水凝胶。
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Gel without graft chain required up to a month to fully collapse
MD5
hydrogels obtained at different pH values.
MD3
MD4
pH = 9.5
MD6
MD7
8
凝胶的性质
（1）触变性：物理凝胶受外力作用，网状结构被破 坏而变成流体，外部作用停止后，又恢复成半固体 凝胶结构，这种凝胶与溶胶相互转化的过程，称为 触变性。 （2）溶胀性：指凝胶吸收流体后自身体积明显增大 的现象，是弹性凝胶的重要特性。 （3）脱水收缩性：溶胀的凝胶在低蒸气压下保存， 流体缓慢地自动从凝胶中分离出来的现象。 （4）透过性：凝胶与流体性质相似，可以作为扩散 介质。
3
content
凝胶的定义 凝胶的分类 凝胶的制备 凝胶的应用
4
凝胶：
指溶胀的三维网状结构高分子，即聚合物分子间相互 连结，形成空间网状结构，而在网状结构的孔隙中又 填充了液体介质。由于液体与高分子网络的亲和性， 液体被高分子网络封闭在里面，失去了流动性，因此 凝胶能象固体一样显示出一定的形状。
聚(N-异丙基丙烯酰胺) PNIPAAm
O = Susceptive to hydrolysis
poly(ethylene g lycol)
聚氧乙烯
poly(vinyl alcohol)聚乙烯醇 poly(N-vinyl-2-pyrrolidone)聚(N-乙烯基-2-吡咯烷酮)
(PNVP) poly(ethylene glycol)聚乙二醇 poly(hydroxyethyl metharylate) 聚甲基丙烯酸羟乙酯
CH3
HO
CH2
CH2
O x CH2
C H
O y CH2 CH2 O x H
Poly(ethylene oxide-co-propylene oxide-co-ethylene oxide) (PEO-PPO-PEO)
28
Applications of Hydrogels in Drug Delivery
25
Applications of Hydrogels in Drug Delivery
Environment-Sensitive Hydrogels
• respond to environmental change : temperature, pH, specific molecule
• reversible volume phase transition or sol-gel phase transition
高分子凝胶
1
• gel 凝胶 • hydrogel 水凝胶 • soft & wet matter 软湿件 • intelligent or smart material 智能/灵巧材料 • fuzzy 模糊
2
海参有一个特性：如 果有谁用手去碰一下它 柔软的身体，它就会一 下变得象木头一样坚硬， 但如果将它在手中紧捏 一会，它就会慢慢地溶 变成滑溜溜的液体从你 手中逃走。
24
互穿聚合物网络( interpenetrating polymer network, IPN)
由两种或两种以上聚合物通过网络互穿缠结而形成的一 类独特的聚合物共混物或聚合物合金。 IPN特有的强迫作用 能使两种性能差异很大或具有不同功能的聚合物形成稳定的 结合，从而实现组分之间性能的互补。同时IPN的特殊细胞状 结构、界面互穿、双相连续等结构形态特征，又使得它们在 性能或功能上产生特殊的协同作用，防止相分离，并极大地 提高了水凝胶的机械强度，并可以提高它的响应性。
Poly(N-isopropyl acrylamide)聚异丙基丙烯酰胺 (PNIPAAm) LCST (lowest critical solution temp): 34.30C
Below LCST: significant gel swelling occurred, Transition about this point as reversible LCST raised when PNIPAAm copolymer with
H
CH2 C n
CO
NH
H CH2 C
C
CH3
CH2
CH
n
O
CO
NH
O
CH
H3C
CH3
CH
CH2CH2CH2CH3
H3C
CH3
Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) Poly(NIPAAm-co-butyl methacrylate) P(NIPAAm-co-BMA)
A polymer gel is a threedimensional network swollen by a large amount of solvent. It has some properties between solutions and solids.
MD2
SEM micrograph of pHsensitive copolymer P(DEAM-co-MAA)
• ionic interaction, hydrogen bonding, antigen-antibody interaction, supramolecular association
• Ionic hydrogel
Chemical and Physical crosslinking
23
DNA水凝胶，无须交联剂
16
Temperature-sensitive hydrogels
poly(N-isopropylacrylamide) and its copolymers nylon capsule grafted poly(IPAAm)
17
Temperature-sensitive hydrogels
Major promise for rapid and abrupt or oscillatory release of drugs, peptides, or proteins
19
pH敏感性
离子强度敏感性
20
高分子凝胶的制备
起始原料： 单体(水溶或油溶单体) 聚合物(天然或合成聚合物) 单体和聚合物的混合物
5
Bonding in hydrogels •Covalent •Ionic •Hydrogen bonding •Polypeptide complexation(e.g., coiled coils) •Hydrophobiceffect
6
7
MD2
MD3
MD4
pH = 7.0
MD5
MD6
MD7
• Molecular structures of environmental-sensitive hydrogels
(2) pH sensitive hydrogel
H
CH2 C n
COOH
H
CH2 C n
CO O CH2CH2N(CH2CH3)2
两个前提: 主链或侧链上带有大量的亲水基团 适当的交联网络结构
制备方法： 单体的交联聚合 接枝共聚 其它交联或转化等
21
高分子凝胶的制备
Chemical crosslinking Polymerization of water soluble monomers in the presence of bi- or multifunctional cross-linking agent
Drug release by the squeezing acti2o6n
药物释放曲线
27
Applications of Hydrogels in Drug Delivery
• Molecular structures of environmental-sensitive hydrogels
(1) Temperature sensitive hydrogel
pH响应性凝胶 温度响应性凝胶 光响应性凝胶 电场响应性凝胶 盐敏凝胶 压力敏感性凝胶
15
pH- sensitive hydrogels
含有羟基或胺基
Most common ionic polymers: poly(acrylamide) PAAm, poly(acrylic acid)聚丙 烯酸 (PAA), poly(methacrylic acid) (PMAA)聚 甲基丙烯酸 , poly(diethylaminoethyl methacrylate)二乙基胺基乙基甲基丙烯酸酯 (PDEAEMA), and poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA)
small amount of ionic monomers Heterogeneous gels containing PNIAAm
collapsed at significantly faster rate than homopolymer of PNIPAAm
18
Temperature-sensitive hydrogels
+
Copolymerization Monomer Crosslinker
Polymerization
Hydrogel network
Vinyl group-containing water-soluble polymers