水凝胶合成

水凝胶是一类交叉链接聚合物，能够吸收数百倍于其在水中的重量。水进入网络，使聚合物骨干体上的亲水和/或离子物种溶解。水分子比溶解组大，它们在网络中的存在会导致水凝胶膨胀（图1）。连接聚合物主干的交叉链接可防止水凝胶溶解或断裂。

图1:水凝胶的水分化。

在此示例中，水凝胶通过自由基聚合合成。自由基是由自由基起发器（如2，2-Dimethoxy-2-苯甲酮（DMPAP）产生的未配对、高反应电子。紫外线将DMPAP中的碳-碳键剖叶，在每个碳原子上形成自由基（图2）。

图2:2，2-二甲氧基-2-苯甲苯酮分裂成两个自由基携带分子。

根类与聚合物骨干和交叉链接器中的双键和/或三重键发生反应。对于自由基聚合，聚合物骨干包含一个双键，可传播链。自由基与2-羟基乙酰丙烯酸酯中的碳-碳双键反应（图3），形成末端带有自由基的传播链（图4中的传播步骤）。从主干上脱落的羟基组可溶于水，导致交叉连接网络膨胀。

图3:2-羟基乙酸丙烯酸酯。

图4:UV启动自由基聚合步骤。

基体还与四乙二醇二甲酸酯（TEGDMA）中的两个碳-碳双键（图5）（化学交联剂）发生反应，将骨干链连接在一起。当自由基被消耗或完全反应时，水凝胶合成是完整的。

图5:四乙二醇二甲酸酯。

最终的水凝胶单体如图7所示，合成的水凝胶如图8所示。发现1分钟样本的肿胀程度约为136%，1.5分钟样本为387%，5分钟样本为81%。这些结果证明了交联程度或网络连接程度与膨胀能力之间的关系。聚合物分子之间的更多联系意味着这些聚合物链上具有更大的弹性抑制力，从而抑制它们膨胀到与较少交联的水凝胶相同的程度。

图7:自由基聚合后由光化剂DMPAP、HEMA骨干质、TEGDMA交联剂、EG溶剂和光致变色颜料产生的单体。

图8:聚合后的水凝胶。从左到右:聚合过程中在紫外线下1分钟，聚合期间在紫外线下1.5分钟，聚合期间在紫外线下5分钟。1 分钟样品看起来更透明，凝胶更类似 1.5 分钟和 5 分钟样品，其聚合程度越来越高

水凝胶合成是一种生产交联聚合物材料的技术，这种材料可以因液体、紫外线、pH或其他兴奋剂而膨胀。液体溶液组合合成有利于混合和形成水凝胶的简单性，但最终产品通常不纯，且往往含有低分子量的聚合物。这种特定的程序虽然简单，但涉及有毒和易燃的化学品，因此需要极其小心和预防措施。该方法生产的水凝胶可用于从药物输送到传感器到吸水性卫生产品的各种应用。

水凝胶用于各种消费品、医疗设备和传感器。医院垫、女性卫生垫和尿布等消费类产品含有聚丙烯酸钠，这是最常见的超吸收性聚合物之一。水凝胶在液体存在时膨胀，其重量在300-800倍之间。这使得制造商能够使用更少的材料，并创造出适合用户佩戴的纤薄舒适的产品。

此外，软隐形眼镜由硅胶水凝胶制成，使氧气能够轻松传递到角膜，并且比硬隐形眼镜更舒适。水凝胶也常用于药物输送，因为交叉链接网络允许药物储存在三维网络中，并缓慢地释放到体内。

水凝胶还可以根据盐度、pH 或其他信号进行调节，使其适用于传感器应用。本视频中合成的水凝胶用作洒水草坪传感器中的传感器。水凝胶与土壤接触，当草坪被浇水时，水凝胶会膨胀，直到触发洒水器关闭。