磁性水凝胶文献综述

水凝胶磁性纳米粒子复合研究综述前言水凝胶作为目前新材料中性质独特的一种聚合物材料，以其独特的物理化学性质著称，对于水凝胶材料的改性工作也是目前领域研究中比较热门的工作，本文针对水凝胶的改性方法以及水凝胶与磁性纳米粒子复合作了较为详细的介绍并有望采用与日后的实验工作中。一水凝胶水凝胶是具有相同网状结构的软材料，但是对于水却具有不同的亲密性。含有大量水分的水凝胶类似与生物软组织，其在生物医药领域具有巨大的潜在应用价值；水凝胶的性质倾向于脆弱，相似与脆弱的水母。不同性质的水凝胶在不同领域都具有巨大的应用前景。目前磁性水凝胶作为水凝胶改性的方法其在重金属离子吸附、药物运输、癌症治疗、柔性机械材料等方向都具有一定的应用前景1。二水凝胶与磁性纳米粒子复合材料一种含硫基的功能化水凝胶与Fe3O4复合制备具有磁性的水凝胶2：Fe3O4-poly(L-cysteine/2-hydroxyethylacrylate)(Fe3O4-P(Cys/HEA))即Fe3O4-聚(L-半胱氨酸/2-羟乙基丙烯酸)。这种水凝胶可以被应用于去除水溶液中的Pb2+,Cd2+,Ni2+和Cu2+，并且通过一系列手段表征该复合水凝胶，包括电子扫描显微镜、傅里叶变换红外光谱、X-射线衍射，振动式磁力计，X射线电子能谱，FTIR图谱分析证明了其官能团含有-NH2和-SH，证明了磁性纳米粒子确实一种2-羟基乙基丙烯酸和L-半胱氨酸的共聚物。这种磁性水凝的磁饱和强度和超顺磁性也同样得到了佐证，这种性质使得磁性复合水凝胶在吸附饱完成后可以与环境溶液分离。这种含硫基官能团修饰的磁性水凝胶用于重金属移除的性能表现通过改变一下四个变量测试：PH、温度、原始的重金属浓度、吸收剂与重金属溶液的接触时间。结果显示磁性水凝胶对于温度敏感但是几乎不受温度影响，而且吸收过程遵循一个伪二阶速率方程并较好地吻合朗格缪尔单分子层吸收理论。磁性水凝胶的X射线电子能谱分析进一步表明基于Fe3O4-P(Cys/HEA)对于Pb2+,Cd2+,Cu2+和Cr3+的吸收机理可以联系到官能团与重金属之间的螯合物和离子交换。而且，Fe3O4-P(Cys/HEA)通过使用0.1M的乙二胺四乙酸处理能够达到百分之九十的高效再使用率。Fe3O4-P(Cys/HEA)的制备方法：P(Cys/HEA)水凝胶制备，P(Cys/HEA)交联水凝胶是通过在水溶液中光照射激发聚合反应；第一步在去离子水中配制Cys和HEA，单体与去离子水的体积比为3:7，并且以固定的单体比例9:1混合。配制的溶液通入15分钟的氮气净化除去任何可能溶于其中的氧气。第三步，将溶液转移到125ml的棕色瓶中并且用聚四氟乙烯薄膜密封以防止氧气进入。然后制备的混合物在射线60Co-c照射下30个小时，最后，制备的配位聚合物水凝胶转移到棕色瓶内并且切片成5*5*5mm的形状。与Fe3O4复合，在经过辐射之后，固体聚合物谁你哥家已经转化形成并且被切成块状了，使用去离子水润洗48h以去除网状结构中未反应的化合物。然后将适量的溶胀后的水凝胶加入含有400ml去离子水的1000ml的三颈瓶中，随后，将2.78g的FeSO4_7H2O和1.95g的FeCl3溶解于10ml的去离子水中并在氮气氛围条件下加入到三颈瓶之中。随后在240r/min的搅拌条件下加入5%浓度的氨水直至体系的PH达到8.0.最终，反应在30℃恒温下额外反应3小时。最终制备得到Fe3O4-水凝胶并用去离子水大量清洗移除未反应离子并把干净的磁性水凝胶在45摄氏度下干燥。这项工作成功研制了能有效去除水溶液中重金属离子的磁性水凝胶，并且磁性水凝胶具有高达百分之九十的回收利用率。相似的工作还有硫基功能化磁性水凝胶P(Cys/HEA)水凝胶用于重金属离子的移除。其制备机理如下：随后原位纳米Fe3O4的引入方法过程采用文献方法3。在对于重金属离子吸附的研究中发现，其在中性条件下比酸性条件下的吸附效果要好，而且在常温下具有比较理想的吸附效应。超临界流体介质合成PHEMA/Fe3O4混合纳米结构4：在超临界二氧化碳(scCO2)中在稳定剂存在下PHEMA和磁性纳米离子Fe3O4均匀分散后发生聚合反应，稳定剂为聚甲基丙烯酸2-(二甲胺基)乙酯/1,1氟辛基甲基丙烯酸酯。Fe3O4第一步通过表面修饰偶联到硅烷偶联剂巯基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）上，以此提供一个C=C键并且可以和HEMA共聚。在固化硅烷偶联剂到粒子表面后使得聚合物链可以成功连接到Fe3O4粒子上，结果可以得到纳米结构的核壳结构。表征手段：红外、XRD、XPS，热稳定性和磁性能随着Fe3O4含量增加而增强，这种新的环保合成路线容易产物分离、去溶剂。制备方法：一、0.5gDMAEMA和0.5gFOMA加入25ml圆底烧瓶中加入0.01gABIN作为引发剂，在氩气净化后加热至65℃并同时磁力搅拌反应聚合24h。反应混合物然后溶解于三氯氟甲烷与氯仿的混合物中，随后全部倒入己烷中沉淀聚合物，然后过滤干燥得到前驱聚合物。二、分散5.0g的Fe3O4纳米粒子到100ml的甲苯之中然后加入10g的MPTMS并在氩气氛围中室温下回流24h。然后离心制备得到表面被修饰的Fe3O4粒子。然后甲苯洗涤并干燥。三、Fe3O4纳米粒子与PHEMA复合；0.4g经表面修饰的Fe3O4分散到1.0g的HEMA单体中形成悬浮液，将悬浮液加入到10ml的高压反应器中随后加入0.01g的ABIN作为引发剂和0.05g的DMAEMA/FOMA作为稳定剂，然后将反应器密封液体CO2的量大概加入到反应器体积的一半，温度逐渐上升至65℃，随着反应器温度上升逐渐加满超临界的CO2液体并在400rpm下反应24h，最终冷却得到产物。这项研究的样品产物具有很好的超顺磁性，这在生物医学上具有很好的应用前景，这个合成路线同样具有很高的最终产率。磁电双重相应的磁性水凝胶复合材料用于药物运输的应用：磁电相应的水凝胶被制备应用于载药，这种水凝胶的合成方法是在羧甲基纤维素或者甲基纤维素存在下和N,N-亚甲基双丙基酰胺以及交联剂和氧化还原引发剂——过硫酸盐/四甲基乙二胺。这种磁性纳米粒子通过铁离子和氨的还原进行原位生长并生成在水凝胶中。通过透射电镜图可以看到其中的四氧化三铁纳米粒子的粒径大约在22nm左右，比较纯水凝胶、磁性水凝胶的介电常数发现也存在差异，该工作中也用于做了姜黄素的吸收释放实验，实验结果表明由于水凝胶磁性能的存在使得它在姜黄素的连续释放具有很好的可控性。其合成路径如下：磁性水凝胶作为韧性软材料的研究：一种新型的磁性水凝胶作为柔性机械材料Fe3O4@Fe-alginate/polyacrylamide(PAAm)5，以其良好的机械性能和磁性能在柔性制动器和磁导导管系统具有一定的应用前景。将表面修饰过藻酸盐的Fe3O4纳米粒子分散到相互贯穿的藻酸盐和丙烯酰胺网状结构中得到物理、化学交联的水凝胶。大致过程如下所示：目前研究展望实验计划：1.利用文献中报道的藻酸盐表面修饰Fe3O4的方法对胡妍妍师姐制备的PHEMA体系水凝胶复合，有可能做药物吸收释放的应用（需进一步调研PHEMA体系在这方面的具体研究近况）2.根据聚丙烯酰胺体系的磁性水凝胶制备方法5尝试着应用于其他韧性材料体系，以期制备新的更好性能的磁性水凝胶（可以尝试采用双层网状机构）。参考文献：1.RongHua,ZhengkuiLi.Sulfhydrylfunctionalizedhydrogelwithmagnetism:Synthesis,characterization,andadsorptionbehaviorstudyforheavymetalremoval.ChemicalEngineeringJournal249(2014)189–2002.RongHua,ZhengkuiLi.Sulfhydrylfunctionalizedhydrogelwithmagnetism:Synthesis,characterization,andadsorptionbehaviorstudyforheavymetalremoval.ChemicalEngineeringJournal249(2014)189–2003.W.Jiang,X.B.Chen,Y.J.Niu,B.C.Pan,Sphericalpolystyrene-supportednano-Fe3O4ofhighcapacityandlow-fieldseparationforarsenateremovalfromwater,J.Hazard.Mater.243(2012)319–325.4.VanHoaNguyena,b,YuvarajHaldoraia,QuangLongPhama,Jae-JinShima.Supercriticalfluidmediatedsynthesisofpoly(2-hydroxyethylmethacrylate)/Fe3O4hybridnanocomposite.MaterialsScienceandEngineeringB176(2011)773–7785.HussainHaider,‡abCanHuiYang,‡aWenJiangZheng,abJianHaiYang,abMeiXiangWang,abSenYang,bMiklo´sZrı´nyi,cYoshihitoOsada,dZhigangSuo,eQiqingZhang,fJinxiongZhou*aandYongMeiChen*ab.Exceptionallytoughandnotch-insensitivemagnetichydrogels.Citethis:SoftMatter,2015,11,8253