水合作用与 pH 调控两性离子聚合物刷的相变行为

本文基于Flory-Huggins理论,建立理论模型研究水合作用与pH调控两性离子聚合物(ZP)刷的相变行为.理论模型考虑ZP的水合作用,以及ZP刷体系中的静电作用.研究发现,在不同pH条件下,ZP刷的体积分数随着水合作的减弱而的增加.随着pH的变化,ZP刷构象随着水合性转变行为明显改变,这是由于pH调控ZP链单体带有过多的净电荷(正电荷或负电荷),致使ZP链内出现静电排斥导致ZP刷溶胀.另外,当ZP链单体呈现过多的净电荷,会在很大程度上决定ZP刷体系静电势,影响ZP刷的相变行为.通过考察体系自由能,我们还发现,ZP刷体系自由能呈现了极大值,随着pH值的变化,自由能呈现的极大值随之改变,由此表明了体系的不稳定性,进而导致ZP刷体系发生相变.

接枝-游离态两性离子聚合物刷的制备及润滑特性研究

人工关节中常用高交联聚乙烯(HXLPE)髋臼杯和陶瓷关节头组成摩擦副.为改善表面间润滑性能,采用紫外光诱导接枝法在HXLPE表面制备接枝态聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱)两性离子聚合物刷(PMPC),PMPC溶液作为润滑剂,使摩擦界面存在游离态PMPC,研究接枝-游离态PMPC协同作用对摩擦副润滑特性的影响.进一步为了模拟人体组织液中金属离子的影响,研究了Na^(+)、Ca^(2+)和Al^(3+)对人工关节摩擦副表面间PMPC润滑特性的影响规律.结果表明:在3 N载荷下,人工关节摩擦副表面间仅用接枝态PMPC进行润滑时,摩擦系数为0.158,且波动频繁,当接枝-游离态PMPC协同作用于摩擦副表面时,摩擦系数降低为0.072,且在120 min试验时长内保持稳定.在载荷为2 N时,接枝-游离态PMPC协同作用时的摩擦系数为0.046,当润滑剂中添加低价金属离子Na^(+)与Ca^(2+)时,摩擦系数略微增加,而添加高价金属离子Al^(3+)时,致PMPC各分子间吸引力增大而破坏其原有水合层均匀性,使得摩擦系数增至0.118,为无金属离子干扰接枝-游离态PMPC协同作用时的2.5倍.

水蒸气诱导两性离子聚合物刷的构象转变

我们把Flory Huggins模型(association models)推广应用到暴露于水蒸气中的两性离子聚合物刷体系,考虑两性离子聚合物-水氢键(P-W氢键)与两性离子聚合物链间两亲离子单体-单体键合(zwitterions complex)、形成氢键与两性离子聚合物链构象的耦合特性,研究水蒸气诱导的两性离子聚合物刷构象转变的机理和相行为.研究发现,随着水蒸气浓度的增加,P-W氢键效应会使得两性离子聚合物刷溶胀;两亲离子单体-单体键合效应会导致水分子将会被排出刷外,并会导致两性离子聚合物刷塌缩.通过分析两性离子聚合物刷的相图发现,P-W氢键效应在决定两性离子聚合物刷的相行为中起到主导作用,在水蒸气增加过程中两性离子聚合物刷将会单调溶胀.基于本文的分析,可以预言,由于P-W氢键效应,两性离子聚合物刷可以吸附水蒸气,当两性离子聚合物链接枝密度足够高时,两性离子聚合物刷内的水分子将会被排出,并会形成两亲离子单体-单体键合连接的凝胶状结构.

亲水性两性离子聚合物刷的构象与结构

本文应用分子场理论,研究暴露于水蒸气中的亲水性两性离子聚合物(HP)刷的构象与结构.理论模型考虑HP-水(P-W)氢键和水-水(W-W)氢键效应,以及HP单体之间的偶极-偶极相互作用.研究发现,P-W与W-W氢键决定着HP的水合性,P-W氢键形成,会诱导HP刷溶胀.我们通过考察HP单体间的偶极-偶极相互作用发现,随着偶极-偶极相互作用增强,HP链在垂直培基表面沿着链方向,形成了结节状结构.这是由于HP单体之间的偶极-偶极静电吸引作用导致单体间汇聚结节,这种结节在刷内产生了较强的排斥体积作用,因此,这种HP刷具有抗污性能.在较高的接枝密度环境下,由于HP链间单体之间的偶极-偶极静电吸引作用,会形成链间单体-单体的结节,在刷内形成结节网络状凝胶结构,这种结构的出现,会使得HP刷呈现极强的抗污性.另外,当体系中水蒸气浓度增加、水合相互作用增强时,增加的P-W氢键将平衡HP单体之间的偶极-偶极相互作用,使得结节解开,聚合物链伸展.我们的理论结果符合实验观测,由此表明,P-W氢键效应,以及HP单体之间的偶极-偶极相互作用决定着HP刷的构象转变和结构特性,刷内出现的两性离子聚合物链内单体间的结节和链间单体结节状凝胶结构,是两性离子聚合物刷呈现较强抗污性的本质特性.