Введение

Полимеры, повторяющиеся звенья которых содержат электролитную группу.

Полиэлектролиты – это полимеры, повторяющиеся звенья которых содержат электролитную группу. Поликатионы и полианионы являются полиэлектролитами. Эти группы диссоциируют в водных растворах, придавая полимерам электрический заряд. Таким образом, свойства полиэлектролитов схожи как со свойствами электролитов (солей), так и со свойствами полимеров (высокомолекулярных соединений), и их иногда называют полисолями. Как и растворы солей, растворы полиэлектролитов электропроводны. Как и полимеры, их растворы часто вязкие. Заряженные молекулярные цепи, широко распространенные в системах мягкой материи, играют фундаментальную роль в определении структуры, стабильности и взаимодействий различных молекулярных ансамблей. Теоретические подходы к описанию их статистических свойств существенно отличаются от подходов к их электрически нейтральным аналогам, в то время как технологические и промышленные области используют их уникальные свойства. Многие биологические молекулы являются полиэлектролитами. Например, полипептиды, гликозаминогликаны и ДНК – полиэлектролиты. Природные и синтетические полиэлектролиты используются в различных отраслях промышленности.

Заказ

Кислоты классифицируются как слабые или сильные (и основания также могут быть слабыми или сильными). Аналогично, полиэлектролиты можно разделить на "слабые" и "сильные" типы. "Сильный" полиэлектролит полностью диссоциирует в растворе при большинстве разумных значений pH. "Слабый" полиэлектролит, напротив, имеет константу диссоциации (pKa или pKb) в диапазоне от ~2 до ~10, что означает, что он будет частично диссоциирован при умеренных значениях pH. Таким образом, слабые полиэлектролиты не полностью заряжены в растворе, и кроме того, их доля заряда может быть изменена путем изменения pH раствора, концентрации противоионов или ионной силы. Физические свойства растворов полиэлектролитов обычно сильно зависят от степени ионизации. Поскольку диссоциация полиэлектролита высвобождает противоионы, это неизбежно влияет на ионную силу раствора, а следовательно, и на длину Дебая. Это, в свою очередь, влияет на другие свойства, такие как электропроводность. При смешивании растворов двух полимеров с противоположными зарядами (то есть раствора поликатиона и полианиона) обычно образуется объемный комплекс (осадок). Это происходит потому, что полимеры с противоположными зарядами притягиваются друг к другу и связываются вместе.

Конформация

На конформацию любого полимера влияет ряд факторов, в частности, архитектура полимера и сродство к растворителю. В случае полиэлектролитов заряд также оказывает влияние. В то время как незаряженная линейная полимерная цепь обычно находится в случайной конформации в растворе (которая близка к трехмерному случайному блужданию с самоизбеганием), заряды на линейной полиэлектролитной цепи будут отталкиваться друг от друга посредством сил двойного слоя, что приводит к принятию цепью более развернутой, жесткой, стержнеобразной конформации. Заряды будут экранированы, если раствор содержит большое количество добавленной соли. Следовательно, полиэлектролитная цепь будет свернута в более обычную конформацию (по существу идентичную нейтральной цепи в хорошем растворителе). Конформация полимера влияет на многие объемные свойства (такие как вязкость, мутность и т.д.). Хотя статистическую конформацию полиэлектролитов можно описать с помощью модификаций общепринятой полимерной теории, точное моделирование полиэлектролитных цепей, как правило, требует значительных вычислительных ресурсов из-за дальнодействия электростатического взаимодействия. Методы, такие как статическое рассеяние света, могут быть использованы для изучения конформации полиэлектролита и изменений в его конформации.

Полиамфолиты

Полиэлектролиты, содержащие как катионные, так и анионные повторяющиеся звенья, называются полиамфолитами. Конкуренция между кислотно-основными равновесиями этих групп приводит к дополнительным осложнениям в их физическом поведении. Обычно эти полимеры растворяются только при добавлении достаточного количества соли, которая экранирует взаимодействия между противоположно заряженными сегментами. В случае амфотерных макропористых гидрогелей, действие концентрированного раствора соли не приводит к растворению полиамфолитного материала благодаря ковалентной сшивке макромолекул. Синтетические трехмерные макропористые гидрогели демонстрируют отличную способность адсорбировать ионы тяжелых металлов в широком диапазоне pH из крайне разбавленных водных растворов, которые затем могут быть использованы в качестве адсорбента для очистки соленой воды. Все белки являются полиамфолитами, поскольку некоторые аминокислоты склонны быть кислотными, а другие – основными.

Приложения

Полиэлектролиты имеют множество применений, в основном связанных с модификацией реологических свойств и стабильности водных растворов и гелей. Например, их можно использовать для дестабилизации коллоидной суспензии и инициирования флокуляции (выпадения в осадок). Они также могут использоваться для придания поверхностного заряда нейтральным частицам, что позволяет им диспергироваться в водном растворе. Таким образом, их часто применяют в качестве загустителей, эмульгаторов, кондиционеров, осветлителей и даже снижателей трения. Они используются в водоподготовке и при добыче нефти. Многие мыла, шампуни и косметические средства содержат полиэлектролиты. Кроме того, их добавляют в различные продукты питания и в бетонные смеси (в качестве суперпластификаторов). Некоторые полиэлектролиты, которые указываются в составе продуктов, – это пектин, каррагинан, альгинаты и карбоксиметилцеллюлоза. Все, кроме последнего, имеют натуральное происхождение. Наконец, они используются в различных материалах, включая цемент. Поскольку некоторые из них водорастворимы, их также исследуют для биохимических и медицинских применений. В настоящее время активно ведутся исследования по использованию биосовместимых полиэлектролитов для покрытий имплантатов, контролируемого высвобождения лекарственных средств и других целей. Так, недавно был описан биосовместимый и биоразлагаемый макропористый материал на основе полиэлектролитного комплекса, который продемонстрировал отличную пролиферацию клеток млекопитающих и свойства мягких приводов, имитирующих мышцы.