HPAN/SPI電刺激敏感型水凝膠纖維的研究
時(shí)間:2005-05-24
焦明立 俞力為 顧利霞
(纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東華大學(xué) 上海市延安西路1882號(hào) 200051 jiaomingli@mail.dhu.edu.cn TEL:021-62379786)
一般電刺激敏感型水凝膠中都具有可離子化的基團(tuán),又稱為聚電解質(zhì)水凝膠，包括荷負(fù)電的聚陰離子[1]和荷正電的聚陽(yáng)離子凝膠[2]。它們?cè)陔娊赓|(zhì)水溶液中，非接觸直流電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生彎曲，其機(jī)理可用Flory的滲透壓方程解釋[3]。
為了逐步地提高水凝膠的生物相容性和擴(kuò)大天然高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域，本文采用水解PAN和SPI的共混水溶液復(fù)合得到紡絲原液，用自制紡絲機(jī)擠到含一定量的戊二醛的Na2SO4的飽和水溶液的凝固浴中，成型交聯(lián)、拉伸干燥得到HPAN/SPI響應(yīng)性水凝膠纖維。一系列水凝膠纖維的紅外表征中可發(fā)現(xiàn)在凝膠纖維中出現(xiàn)了響應(yīng)性荷負(fù)電的羧酸基團(tuán)和戊二醛與氨基交聯(lián)生成的－C＝N－基團(tuán)。
凝膠纖維的彎曲度采用如下方程計(jì)算[4]：彎曲度（Bending degree） = 100× ( L0–Lt)/L0 式中L0 是施加電場(chǎng)前的樣品長(zhǎng)度，Lt 是施加電場(chǎng)時(shí)樣品兩端的直線距離，見Figure 1。
結(jié)果與討論
改變水溶液或凝膠的組成，在非接觸直流電場(chǎng)中水凝膠纖維有不同的彎曲響應(yīng)行為。
減小水凝膠纖維的直徑或增大施加的電場(chǎng)強(qiáng)度的過(guò)程中，水凝膠纖維的響應(yīng)性正如預(yù)想的一樣，彎曲響應(yīng)性也隨之增加。
不同pH值水溶液中凝膠纖維的彎曲變化如fig 2，在強(qiáng)酸溶液中，－COOH基團(tuán)相互結(jié)合成氫鍵使得凝膠結(jié)構(gòu)致密，凝膠網(wǎng)絡(luò)只有極少量離解的COO－，從而固定電荷密度大大降低，凝膠內(nèi)外的滲透壓減少，最終導(dǎo)致凝膠在電場(chǎng)刺激下彎曲變形降低，同時(shí)隨pH的增加－COOH逐漸的解離，固定電荷數(shù)量增加，而同時(shí)凝膠纖維的溶脹變化卻很小，固定電荷密度增加了，從而凝膠的電場(chǎng)響應(yīng)速率和響應(yīng)程度都增加了，即隨著pH的增加不斷的升高。但由于在pH為12.0時(shí)，凝膠在堿溶液中已有較大的溶脹度（right），導(dǎo)致了固定電荷密度的相對(duì)減少，從而在pH＝11.0以后，凝膠網(wǎng)絡(luò)中固定電荷密度就處于下降趨勢(shì)中，同時(shí)相對(duì)較高的反離子（Na＋）的離子強(qiáng)度也會(huì)對(duì)凝膠網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)念館固定電荷產(chǎn)生靜電屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致聚陰離子之間的靜電斥力下降，進(jìn)而滲透壓減少，結(jié)果降低了凝膠纖維的變形彎曲程度。同樣的原理可解釋不同交聯(lián)度含量對(duì)纖維彎曲度的影響。
不同電解質(zhì)濃度的溶液中，電解質(zhì)濃度的增加將誘發(fā)更多的自由離子向反電荷電極方向運(yùn)動(dòng)透過(guò)凝膠，結(jié)果凝膠纖維的平衡彎曲增加；但是，如果環(huán)境溶液的離子強(qiáng)度超過(guò)某一臨界濃度0.1 M，將發(fā)生反離子對(duì)凝膠網(wǎng)絡(luò)中固定電荷的靜電屏蔽現(xiàn)象，降低固定電荷之間的靜電排斥作用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生解溶脹，凝膠網(wǎng)絡(luò)收縮為更為緊密的結(jié)構(gòu)，使得離子向凝膠網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)散難以發(fā)生，導(dǎo)致滲透壓減少，從而凝膠纖維的平衡彎曲降低。
首此制備了HPAN/SPI水凝膠纖維，發(fā)現(xiàn)在0.1M的Na2SO4水溶液、1.0％的交聯(lián)劑含量、pH為11.0的NaOH水溶液中、高電壓和小直徑的水凝膠纖維在非接觸直流電場(chǎng)中有優(yōu)良的電場(chǎng)彎曲行為。
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[2] Sun, S.， Wong, Y. W.， Yao, K. D.. J Appl Polym Sci, 2000，76：542
[3] Flory P. J. Principle of Polymer Chemistry, Cornell University Press: Ithaca, New York, 586
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