创新点

       本文报道了一种具有可调控吸湿与脱湿行为的新型温度响应型水凝胶，并系统研究了分子量选择和相对湿度对其吸湿与脱湿性能的影响。所制备的多孔纳米结构水凝胶表现出优异的吸湿特性，且通过合理提高其分子量能够进一步增强吸湿能力。此外，当温度升高至低临界溶液温度（LCST）以上时，水凝胶会发生由亲水性向疏水性的相变，从而实现高效的脱湿过程。动力学分析结果表明，水凝胶的吸湿与脱湿过程可由准一级与准二级线性模型描述，而其脱湿行为与准二级动力学模型高度吻合。这些研究结果不仅揭示了多孔纳米水凝胶独特的结构—性能关系，也为高效、刺激响应型吸湿-脱湿材料的设计提供了新的思路，并在设备抗冷凝水应用方面展现出潜在价值。

当温暖潮湿的空气冷却到露点以下时，就会发生冷凝现象，导致水蒸气凝结成液态水滴。特别是在呼吸机管道和面罩中，不可避免地发生水蒸气冷凝现象。因此，开发一种可调控吸湿和脱湿行为的新型抗冷凝材料十分重要。

基于上述背景，北京航空航天大学陶春静研究员课题组采用沉淀聚合法，通过“一锅法”制备了无规共聚 P(NIPAm-co-AMPS) 多孔纳米水凝胶。制备后，利用不同分子量截留值的透析袋对纳米水凝胶进行透析处理，并经冷冻干燥获得不同分子量范围的多孔纳米水凝胶材料，分别得到较低分子量范围的样品CoP7和较高分子量范围的样品CoO14。进一步研究了不同分子量范围对纳米多孔水凝胶吸湿与脱湿行为的影响，为其在抗冷凝水材料中的应用提供了理论依据与实验支撑。

分子量选择对材料微观结构的影响（图1）显示，低分子量聚合物CoP7在 FTIR、XPS 和 ¹H-NMR 谱图中表现出峰强度增强且形状尖锐的特征，这主要归因于其保留了更多的小分子片段、低分子量链段及端基。相应地，主链段和链组的信号强度减弱且峰形变宽。相比之下，高分子量聚合物COP14的长链结构占主导，导致主链段及功能基团的峰强度明显增强，而与端基相关的峰则较弱且宽展。

图1  不同分子量选择对材料微观结构的影响. (a) CoP7和CoP14的红外光谱图; (b) CoP7和CoP14的全扫描XPS谱图; (c) CoP7和CoP14的局部（S 2p）全扫描XPS谱图; (d) CoP7和CoP14的¹H-NMR谱图

吸湿性能方面研究（图2）显示，随着聚合物分子量分布的增加，材料的吸湿量和吸湿速率均显著提高。然而，当温度升高（仍低于 LCST）时，吸湿量和吸湿速率均受到不同程度的抑制。对于脱湿性能而言，低分子量样品的脱湿速率明显高于高分子量样品。尽管低分子量样品的脱湿速率较快，但由于其吸湿量有限，最终释放的水分总量通常较低。此外，当温度升高至高于 LCST 时，水分释放加快，从而显著提高脱湿速率。

图2  不同分子量选择对材料吸湿与脱湿性能的影响. (a) 不同分子量选择CoP7和CoP14和温度与材料吸湿量和吸湿速率的关系; (b)不同分子量选择CoP7和CoP14和温度与材料脱湿量和脱湿速率的关系

文章对样品 CoP14 在不同相对湿度条件下的吸湿–脱湿动力学进行了分析（图3）。结果表明，其吸湿过程能够较好地符合准一级与准二级动力学线性模型，而脱湿过程则符合准二级动力学模型。进一步的循环实验显示，该材料在多次吸湿–脱湿循环后仍能保持稳定的吸湿量与脱湿速率，体现出优异的吸脱湿稳定性，表明其适用于长期循环使用。

图3  多孔纳米水凝胶COP14在不同相对湿度的条件下的吸湿-脱湿动力学和吸脱湿循环实验. （a） 不同湿度下，含湿率在吸湿和脱湿过程中的变化; （b）不同湿度下，脱湿过程的准二级动力学模拟曲线; （c）吸湿过程的动力学常数；（d）含湿率与吸脱湿循环次数的关系

本文以“Effect of Molecular Weight Selection and Relative Humidity on the Moisture Absorption and Desorption Behavior of Poly(N-isopropylacrylamide)-based Hydrogels”为题，发表在Chinese Journal of Polymer Science.