温敏性水凝胶在智能纺织品开发中的应用.pdf
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1、第2 8 卷第1 l 期 2 0 0 7 年1 1 月 纺织学报 J 叫m a | 0 fT e x I i l eR e $ e 眦h V 0 l :2 8N 0 ,l l N o v 2 0 0 7 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 昕) l I 0 1 3 9 温敏性水凝胶在智能纺织品开发中的应用 刘书芳,顾振亚 ( 天津工业大学纺织学院,天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要温敏性水凝腔是一种能够对温度做出响应的智能材料,在药物控制释放、分离膜和组织工程支架等领域 获得广泛的研究和应用。将温敏性水凝胶聚合物单体在纺织品上接枝或将聚合物溶液涂层在织物上,可以形成智 能纺
2、织品。介绍了几种温敏性水凝胶在智能纺织品开发中的应用实倒。如智能透气可呼吸纺织品、药物控制释放 纺织品、智能伤口敷料、智能潜水服、智能抗浸服、智能调温运动纺织品等,并阐述了温敏性水凝腔在其它智能纺织 品上的应用前景。 关键词温敏性;水凝胶;刚I P A A m ;接枝;智能纺织品 中图分类号:1 S 1 0 6文献标识码:A A p p l i c a t i 伽o ft e m p e r a t u m - s e n s i t i V eh y 加g e l st ot h e d e v e l o p m e n to fi n t e m g e n tf a b r i c s
3、 L I US h 山n g ,G Uz I l e n y a ( s 抵f0 ,胁妇7 h 讲HP D 扣时。z h 西h3 0 0 1 6 0 ,C h 由m ) A b s t r a c t 7 r e m p e m t u 陀- s 即s i t i v eh y d m g e l 8a 舶i m e l l i g e mm a t e d a l 8 ,w h i c hc 锄地s p o n t ot h et e m p e 咖I _ e 蛐d L a v eb e e nw i d e l y 印p l i e dt oc o n t l 0 U e d 地l e a
4、 s eo f l e d i c i n e ,8 e p 眦t i o nm e r n b 啪e s t i s s u ec n 画n e e “g s c “b l d 8 ,a n ds of o h I n t e l l i g e n ff 曲d c sb a 靶do nt e ”平e r a u r 争s 即s i 矗v eh y 也璎日se nb em a d e 坶鲫i “gl h e c o p o l y f n e d z a t i 蚰o ft l l eh y d m g e lp o l y r 肥珀o n t ot I I e8 山f a c e0 ff
5、如d c so rc o 砒i n gt h ef a b d c Bb y 山ep o l y m e r 8 0 l u t i o n T h i sp a p e rf o c u s e s 蚰m ed e v e l o p 陀n tc a 8 e Bd e a l i n gw i t l l8 r I l a T tb r e a t h a b l ef d b d c ,c 叩t m U e d T e l e a s i I l gm e d i c i n ef a b d c ,s 删w D u n dd r e s s i n g ,8 l a r tw e t s
6、 u i t ,B n l a r t 蛐t i - s o a k i n gs u i t 明d8 n l a r It e 州埘砸啦- a d 印t a b l es p o r t s w 髓r ,e t c M o r e o v e r ,t h 8P r 0 5 p e c v ea p p 】i c a t i o n s t oo t h e rj n t e u i g e mf a b d c sa 他e l a b o m t e d K e y 啪r 凼t e m p e 雎t l I r e 一湖s i t i v e ;h 妒r o g e I ;P N I P
7、A A m ;g r a 矗i 蜡;i n t e l l i g e n t 铀d c 随着社会的进步和生活水平的提高,人们已不 再满足于传统纺织品对人体的遮蔽、保护和美化作 用,要求纺织品具有功能性和智能性因此,智能纺 织品应运而生。它基于仿生学概念,模拟生命系统, 对环境或环境因素的刺激有感知并能做出响应,同 时保留了纺织材料、纺织品的风格和技术性能。称 之为“智能”,是因为它具有思考甚至有恢复原始状 态的记忆功能,如在湿、热、光、电、机械和化学物质 等因素的刺激下,能通过颜色、振动、电性能、能量储 藏等变化,对外界刺激做出响应。智能纺织品的 开发涉及到纺织、电子、化学、生物、医学等多学
8、科知 识,成为目前纺织品领域的热点研究课题。 智能纺织品根据其功能可以分为调温纺织品、 形状记忆纺织品、变色纺织品、仿生纺织品、电子纺 织品、安全防护纺织品等u 。- 。调温纺织品是对温 度或温度变化有响应的智能纺织品,它超越了传统 纺织品的单一保温功能,能够根据环境温度的变化 吸收或者释放热量,有智能调温的效果,能使皮肤温 度在环境温度剧烈变化的过程中始终处于舒适的温 度范围内。智能调温纺织品已经用于服装、鞋类、床 上用品、汽车和国防等领域”。 智能纺织品的发展离不开智能材料。近年来, 能够在外界刺激下发生可逆相转变的智能聚合物如 智能凝胶引起了研究人员的特殊关注。将智能凝胶 收稿日期:2
9、0 0 7 0 2 1 3修回日期:2 0 0 7 0 6 2 7 作者简介:刘书芳( 1 9 7 8 一) 。女,博士生。主要研完方向为功能纺织品的开发。顾振亚通讯作者,B m m j l = g I I 曲e “y a 日p I e d l l c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 4 0 纺织学报 第2 8 卷 和纺织品结合,为智能纺织品的开发提供了一个新 的途径。本文将对温敏性水凝胶在智能纺织品开发 中的应用情况做一介绍。 1智能
10、凝胶及温敏性水凝胶简介 凝胶可以定义为在溶剂中溶胀并保持大量溶剂 而又不溶解的聚合物。智能高分子凝胶能够感知外 部环境的微小变化( 如温度、p H 值、光、离子强度、电 场和应力等) ,并通过自身体积的膨胀和收缩来响应 外界的刺激。凝胶按高分子网络中的液体不同可分 为水凝胶和有机凝胶,其中水凝胶最为常见。目前, 智能水凝胶在药物可控释放、组织工程、物质分离、 分子回收、开关控制、酶和细胞的固定等领域有广泛 的应用。 根据水凝胶所响应的刺激类型,可分为温度敏 感性、p H 敏感性、光敏感性、压力敏感性水凝胶等, 也有双重响应型水凝胶,如温度,p H 敏感性水凝胶、 热,光敏感性水凝腔等。温敏性水
11、凝胶的吸水量在 某一温度( 即相转变温度) 有突发性变化,有低温收 缩型和高温收缩型2 种类型。聚( N ,N 二甲基丙烯 酰胺一丙烯酰胺m 甲基丙烯酸丁酯) 与聚丙烯酸 形成的互穿网络结构的水凝胶属低温收缩型,聚( N - 异丙基丙烯酰胺) ( P N I P A A m ) 东凝胶则是典型的高 温收缩水凝胶,近年来与之相关的研究已有很多”1 。 P N I P A A m 水凝胶同时具有亲水性和疏水性结构,相 转变温度大约为3 2 与人体温度接近且其溶胀一 退溶胀变化显著,已经广泛应用到药物控制释放体 系、分离膜和组织工程支架中1 。 但是水凝胶本身力学强度差,尤其在被水溶胀 后基本丧失自
12、身支撑能力而且其响应速度较慢,因 而在很大程度上限制了它的应用”1 。目前温敏性水 凝胶的应用研究主要集中在P N I P A A m 类型的热缩 温敏水凝胶上,并通过共聚或互穿网络等手段来提 高凝胶的强度和响应性。如果能把温敏性水凝胶制 成凝胶纤维,用接枝共聚或涂层的方法将凝胶引至 纺织品表面或者和纺织品复合。不仅弥补了凝胶强 度低的缺点,而且由于织物表面积大将极大地降低 其响应时间。 2 在智能纺织品开发中的应用举例 2 1 智能透气可呼吸纺织品 聚丙烯( P P ) 非织造布因具有孔结构,透气性 好表面积大,强力高且价格便宜而被广泛应用,但 由于其表面疏水限制了它的发展。文献 8 通过紫
13、 外光( u v ) 引发将N I P A A m 接枝共聚到氩气等离子 体活化的P P 非织造布表面,经等离子体预处理过的 P P 非织造布对0 3r 吐水滴的芯吸时间极短,几乎为 O ,使其亲水性大大增强。图1 为经冷冻干燥的 P N I P A A m 水凝胶在P P 非织造布上的s E M 照片。可 以看出,预处理增大了水凝胶和基质之间的键合,增 加了接枝率,冷冻干燥后非织造布表面可获得具有 孔结构的水凝胶,赋予接枝P P 非织造布良好的透气 性。而且接枝在P P 非织造布表面的水凝胶仍保留 纯P N I P A A m 水凝胶同有的温度响应性,相转变温度 在3 2 用此用P N I
14、P A A m 接枝后的P P 非织造布可 用于具有温度敏感性的智能透气纺织品。 t 丑) 未经任何处理P P 非织造布 ( b 1 氲气等爵于体处理后的P P 非纵适布 图l 经冷冻干燥的P N 咿A 皿水凝胶在P P 非织造布上的 s E M 照片 n g 1 s E Mi m 8 咿o f 舶e 肚d z e dP N I P 从皿l I y d 雌lo n l 0 P P 肿n w o v e n ( a ) 叩dA rp l 聃m a 呐a l e dP P 呐n w o v 朋( b ) 除了P N I P A A m 水凝胶有温敏性外,还有一些其 它丙烯酰胺衍生物也有温度敏感性。
15、s a v e 等人对 N 一叔丁基丙烯酰胺( N 佃A ) 和丙烯酰胺( A m ) 无规共 聚物的合成、性质及应用进行了系统的研究”“。 N T B A 和A m 的温度敏感无规线性和无规交联共聚 物可用溶液聚合的方法台成,共聚物结构中引入的 亲水性单体A m 比例越高相转变温度也越高”1 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第l l 期刘书芳等:温敏性水凝胶在智能纺织品开发中的应用 1 4 l s a v e 等人将N 他A 与A m 进料比
16、为4 0 :6 0 的线性 共聚物( 红外光谱测得的共聚物中N T B A 实际摩尔 分数为2 7 ) 水溶液,以l ,2 ,3 ,4 丁烷四羧酸 ( 髓c A ) 为交联剂,次磷酸钠为催化剡,在1 5 0 一 1 6 0 交联形成力学性能很强的不溶性薄膜。薄膜 的相转变温度为2 2 2 5 8 而交联前线性共聚物 的L c s T ( 低临界溶解温度) 为3 7 ,8 。由于薄膜有很 高的比表面积,相对于同一组成的2t m 厚的水凝胶 样品,薄膜的溶胀度从4 9 0 显著增大到2 9 8 0 ,响 应时间从1 2 0 l i n 急剧减少为5 l I _ i n “。后将上述线 性共聚物涂层
17、到棉织物上,仍保留着温度敏感性,相 转变温度为1 5 一柏。涂层织物的溶胀能在 2 0I r I i n 内完成,退溶胀仅用2 3I D i n 。当相对湿度 为2 0 ,以未涂层织物为基准时,此共聚物涂层织 物的水蒸气透过率( w v T R ) 1 5 时为5 8 、4 5 为 9 4 ,而聚丙烯酰胺( 聚丙烯酰胺水凝胶无温敏性) 涂层织物的w v T R 在1 5 时为7 0 、4 5 为9 6 。 可见共聚物涂层织物的w R 对环境温度变化表 现出了明显的响应性,可用于制造智能型透气可呼 吸织物”。这种线性聚合物纺制的纤维有显著的 温度敏感性,纤维直径和长度的变化高度可逆,而且 溶胀时
18、间( 2 0s ,退溶胀时间 2s “,若用于织物必 将获得优异的透气性。 2 2 药物控制释放纺织品 温敏性水凝胶已经在药物释放领域得到深入的 研究”“,如果制成药物控制释放医用纺织品,将对 伤口的愈合起到特定条件的给药和保护作用。温度 低时,织物表面水凝胶溶胀同时把药物包含在内部; 温度高于某一温度( 相转变温度) 时,水凝胶收缩并 释放出药物。 文献 1 5 将N I P A A m 通过u v 引发接枝到等离 子处理过的P P 非织造布上获得对温度响应的药物 释放性能,考察了交联剂用量对接枝率、溶胀一退溶 胀动力学及药物释放性能的影响。研究表明,分子 量大的药物如万古霉素( M w =
19、 l4 8 5 7 ) 的释放速率 比分子量小的药物如咖啡因( 盯w = 1 9 4 ) 低,交联剂 用量越大,对咖啡因的释放速率越大,而对万古霉素 的释放速率却越小。这种现象可解释为万古霉素分 子体积大,不易从凝胶中扩散出去,而且交联剂用鼍 大时凝胶的孔结构小,也使万古霉素难以释放。 2 3 智能伤口敷料 将水凝胶用于伤口敷料,一方面可以吸收伤口 排泄物,还可将药物包埋在水凝胶中持续缓慢释放, 起到杀菌和治疗作用,此外这种伤口敷料保护层不 与伤口粘合,使伤口完整,愈合速度快”“。水凝胶 伤口敷料必将取代纱布敷料。发达国家的凝胶敷料 已经商品化,我国也有相关的专利,如中空醋酸纤维 抗菌型水凝胶
20、敷料”7 1 和古药物、壳聚糖的聚乙烯醇 水凝胶敷料“。 温敏性水凝胶用于伤口敷料将使其具有智能 性,文献 1 9 将具有抗菌功能的可生物降解的壳聚 糖( c S ) 固定到P N I P A A I n ,P P 非织造布复合物表面开 发伤口敷料,壳聚糖通过戊二醛交联反应成功地固 定在P N I P “I I l ,P P 非织造布复合物表面,形成3 层 结构的复合物,此复合物经一8 0 冷冻干燥后的 s E M 照片见图3 。在这种3 层结构的复合物中,壳 聚糖具有贯通的、大孔隙率的孔洞结构的海绵状外 观,如果做成伤口敷料,将有利于细胞的增殖和伤口 的愈合。 图2 在一8 0 玲冻干燥的3
21、 层结构复合物的 s E M 照片( 5 0 ) F i g 2 s E Mi m a g eo f 一1 a y e rw o u r I dd 膊蜩i r I g 曲m c l 吣 b v 雠e “e dm 一( x5 0 ) 采用该复合物开发了易撕去的3 层伤口敷料, 其外层是透气的P P 非织造布,中间层是P N I P A A m , 和皮肤伤口最接近的一层是可生物降解的有孔洞结 构的壳聚糖。壳聚糖具有生物降解性,最终会降解, 而中间层不会牯结在皮肤组织上。当要去掉敷料 时,仅需使P P 非织造布基质的温度降低到 P N I P A A m 水凝胶的相转变温度以下,使P N I P
22、A A m 水 凝胶溶胀从而可以很容易地从伤口表面撕去,两不 损伤新的再生皮肤组织。相反,当温度高于相转变 温度,P 性I P A A m 水凝胶退溶胀,较难从伤口表面去 掉。抗菌性试验结果表明,壳聚糖水凝胶对大肠杆 菌和金黄色葡萄糖球菌具有抗菌能力,抑菌率分别 为8 5 和9 1 ,因此这种3 层的伤口敷料将有很大 的应用潜力。 2 4 智能调温潜水服 M i d 吾技术公司开发了一种新型的智能潜水服 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 4 2
23、纺织学报第2 8 卷 s m n s k ;n ,其外层是闭孔氯丁橡胶泡沫材料,中间 夹层是温敏性水凝胶与开孔的聚氪酯泡沫材料的复 合物1 。由于凝胶的响应比环境温度的变化快这 种潜水服成为一种温度驱动的水流控制系统,能使 衣服的内部环境温度保持在凝胶的相转变温度附 近。当潜水员活动量大、体表温度较高时,水凝胶收 缩允许通过潜水服的水流增大,由此使潜水员凉 爽,但是当体表温度降到水凝胶的相转变温度以下 时,水凝胶溶胀以减小水流减缓热损失的速度及体 表温度的降低。相对于常规的潜水服,s m a n s k i n 。能 够在更宽的潜水条件下通过皮肤温度的有效调节使 潜水员免受严寒的危害。试验证明
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- 温敏性水 凝胶 智能 纺织品 开发 中的 应用
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