Page 73 - 精细化工2020年第2期

第 2 期 张 伟，等: 掺杂上转换纳米粒子的温敏性发光水凝胶的制备及性能 ·275·

图 9 UC@PEI NPs 的 Zeta 电位图 图 11 复合水凝胶的脱水率和溶胀率曲线
Fig. 9 Zeta potential of UC@PEI NPs Fig. 11 Dehydration ratio and swelling ratio curves of composite
hydrogel

2.3 掺杂 UC@PEI NPs 的复合水凝胶的表征 在实际应用中，除了要求性质稳定，还必须有
将复合水凝胶进行冷冻干燥，使内部固化为冰 一定的机械强度，拉伸实验相关结果如图 12 所示。
的水分直接升华。由于复合水凝胶中分子链的运动 从图 12 可以看出，当掺杂 UC@PEI NPs 的复合水
在此过程中受到束缚，网络结构在干燥后不会出现 凝胶被拉伸至断裂时，承受的最大应力为 1.13 N，最
较大变形。实验合成的复合水凝胶干燥后为蓬松状 大应变量为 251.10%，机械强度达到 22.92 kPa；而
没有掺杂 UC@PEI NPs 的 PNIPAM 水凝胶承受的最
的白色固体，对其横截面进行喷金处理，用 Regulus
大应力为 0.75 N，最大应变量为 182.70%，机械强
8100 型扫描电子显 微 镜观察结 构 形态。当 在
度为 20.90 kPa。这可能是由于 UC@PEI NPs 表面包
PNIPAM 水凝胶网络中加入其他聚合物时，会导致
网状通道的形成 [30] ，从图 10 可以看出，复合水凝胶具 覆的 PEI 的—NH 2 基团与 PNIPAM、聚丙烯酰胺
（PAAm）分子链上的—CO—基团反应生成—CO—
有明显的多层次孔隙的网状结构 [31] ，孔隙尺寸分布为
NH—并形成接枝共聚物 [32-34] ，同时，PEI 还可能与
20~100 μm，其中，尺寸大小为 30~40 μm 的孔隙数量
PNIPAM、PAAm 形成分子间氢键，从而提高了复合
居多。这一结构使得在脱水和溶胀过程中，水很容
水凝胶的机械强度。复合水凝胶的机械强度与文献
易从孔隙中扩散。
报道的互穿网络结构 PNIPAM 水凝胶的机械强度一
[30]
致，大于 20 kPa ，相关结果表明该复合水凝胶具
备良好的拉伸性能和一定的机械强度。

图 10 复合水凝胶的扫描电子显微镜图
Fig. 10 Scanning electron microscope image of composite
hydrogel

为了表征复合水凝胶的应用稳定性，对其进行
图 12 复合水凝胶（a）和 PNIPAM 水凝胶（b）的应力-应
多次脱水溶胀实验，得出的结果如图 11 所示。从图
变曲线
11 可以看出，复合水凝胶的平均脱水率为 81.18%， Fig. 12 Stress-strain curves of composite hydrogel (a) and
平均溶胀率为 61.38%，脱水率和溶胀率的数值波动 PNIPAM hydrogel (b)

幅度比较小，且经过 9 次反复脱水溶胀后仍能保持 复合水凝胶的发光温度响应性结果如图 13 所
完好的形态，这是由于互穿网络结构中聚合物分子 示。从图 13 a 可以看出，随着温度的上升，发光强
链的可逆蜷缩和伸展，使复合水凝胶在脱水溶胀时 度逐渐减弱，超过 32 ℃时，发光强度下降明显，而
不被破坏。相关结果说明该复合水凝胶稳定性良好， 图 13 b 降温过程的结果恰好相反。以初始温度 20 ℃
便于重复使用，节约成本。 时 540 nm 处（Er , S 3/2 → I 15/2 ）的发光强度为基准
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3+ 4