摘 要

水凝胶是具有三维网状的大分子和溶剂(水)组成的交联结构。他们的大分子主链（侧链）上含有亲水(极性)基团或疏水基团、或(和)解离基团。交联大分子的三维网络可以通过吸收溶剂而膨胀或者消除溶剂而收缩。光响应水凝胶是向三维网状结构中引入稀土离子实现增强、荧光和光热效应作用而形成的功能高分子材料。

本课题采用简单的物理振荡混合方式，将一种稀土钐有机配合物通过配体置换，与交联(N-异丙基丙烯酰胺-CO-丙烯酸) 共聚物主链的羧基进行配位结合，制备了一种兼具高力学性能、荧光功能、以及仅在1064 nm近红外光照射下具有形状变形能力的水凝胶材料。

结果表明：掺杂稀土配合物的水凝胶力学性能显著增强，由于钐离子的存在水凝胶仅在1064 nm 近红外光照射下产生响应并发生形状变形，功能水凝胶的荧光性能也随着稀土配合物的含量增加而增强。

关键词：稀土配合物 光响应 功能水凝胶

Preparation and Characterization of Selective Photoresponsive Hydrogels

Abstract

Hydrogels are composed of crosslinked macromolecules and solvents ( water ). hydrophilic ( polar ) groups or hydrophobic groups or ( and ) dissociative groups are on the main chain or side chain of their macromolecules. The three-dimensional network of cross-linked macromolecules can absorb solvents and swell, and can also exclude solvents and shrink. photoresponsive hydrogels are functional polymer materials formed by introducing rare earth ions into the three-dimensional network structure to realize enhancement, fluorescence and photothermal effects.

In this project, a rare earth samarium organic complex was substituted by ligand and coordinated with the carboxyl group of the crosslinked ( n - isopropyl acrylamide - co - acrylic acid ) copolymer main chain in a simple physical oscillation mixing way, and a hydrogel material with high mechanical properties, fluorescent function, human body and shape deformation ability only under 1064 nm near infrared radiation was prepared.

The results showed that the mechanical properties of hydrogels doped with rare earth complexes were significantly enhanced. as samarium ions existed in hydrogels, they only responded to 1064 nm near infrared radiation and deformed in shape, and the fluorescent properties of functional hydrogels also increased with the increase of rare earth complexes.

Key words: rare earth complex； photoresponsive； functional hydrogel

目 录

摘要…………………………………………………………………………………I

ABSTRACT………………………………………………………………………II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与选题意义 1

1.2 稀土有机配合物的发光原理 2

1.2.1 天线效应 2

1.3 稀土有机配合物的研究进展 3

1.3.1稀土β - 二酮类有机配合物的发光探究 3

1.3.2稀土聚合物的发光研究 4

1.3.3 掺杂型稀土聚合物 4

1.4 PNIPAm温敏凝胶的性质及应用 4

1.5 本论文研究内容与意义 6

1.5.1 研究内容 6

1.5.2 研究意义 6

第二章 选择性光响应水凝胶的制备 8

2.1原料与试剂 8

2.2实验所用仪器 8

2.3实验部分 9

2.3.1稀土配合物的制备 9

2.3.2水凝胶基体材料的合成 10

2.3.3掺杂步骤 11

2.3.4 样品的表征 11

2.4存在的问题与讨论 13

第三章 结果与讨论 14

3.1复合水凝胶的FTIR图谱 14

3.2各类水凝胶DSC图谱 15

3.3水凝胶荧光性能对比图 16

3.4 1064nm各类水凝胶光热数据图 17

第四章 结论与展望 18

4.1结论 18

4.2展望 19

参考文献 20

致谢 23

第一章 绪论

1.1 研究背景与选题意义

低临界溶解温度（LCST）型水凝胶能够对外界的微小温度变化做出反应并发生体积的改变。聚甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA），聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）和聚甲基乙烯基醚（MVE）就是拥有这种因温度变化而改变体积的水凝胶，所以在药物控释，分离膜和固定酶等领域人们就是利用这种特性来达到特殊功能的作用。因为PNIPAm水凝胶比较特殊的LCST，略低于人体体温为32℃，也就是说我们可以通过一些方法改变聚合物基质中的亲水和疏水组分，从而获得新的LCST，这样就可以应用于人体生物研究领域^[1]。所以PNIPAm在水凝胶中是特别的具有实际应用价值的一种。现在关于PNIPAm分子的热敏性与结构中疏水性异丙基和亲水性酰胺基的结构的研究吸引了大批的研究人员。这种结构存在于水凝胶网络的亲水和疏水区域，他们处于一定条件下水的亲疏平衡^[3]。水分子和聚合物链间的氢键是其一，聚合物链之间的H键是另一种氢键。整个体系结构中也就只有两种氢键。当疏水基团形成稳定的结合水，这种水合结构的形成就是因为当温度条件低于LCST时氢键的配位导致的。一旦温度升高，水合结构就会分解，疏水基团就会控制整个网络体系，凝胶中的结合水变成向外扩散的游离水分子凝胶即相分离，这个时候会形成水凝胶的热敏相。合理利用亲疏水基团的作用从而实现分子水平上设计的功能性水凝胶的关键就是亲疏水基的相互作用与相变温度间的关系。我们在结构改变以达到特殊功能设计时这种原理的研究与利用是至关重要的。

稀土配合物和聚N -异丙基丙烯酰胺凝胶的特殊性质早就是众所周知的，合理结合它们各自的性质并加以利用是非常有价值的。这样顺理成章就会想到将稀土纳米材料的尺寸效应、光致发光特性复合在N -异丙基丙烯酰胺凝胶的生物特性方面，这样就可以得到在酶固定、生物传感与催化、药物缓释与靶向等领域实现智能化的功能新材料^[5]。

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