高分子电解质及其应用

高分子电解质及其应用

聚电解质也称高分子电解质，是一类线型或支化的合成和天然水溶性高分子，其结构单元上含有能电离的基团。

基本介绍:

也称高分子电解质，是一类线型或支化的合成和天然水溶性高分子，其结构单元上含有能电离的基团。可用作增稠剂、分散剂、絮凝剂、乳化剂、悬浮稳定剂、胶粘剂等。不溶性体型聚电解质归入离子交换树脂

基本分类：

聚电解质按电离的基团可分为:①聚酸类:电离后成为阴离子高分子,如聚丙烯酸（见结构式a）、聚甲基丙烯酸(b)（见丙烯酸聚合物）、聚苯乙烯磺酸(c)、聚乙烯磺酸(d)、聚乙烯磷酸(e)等；②聚碱类:电离后成为阳离子高分子,如聚乙烯亚胺唚CH2-CH2-NH唹、聚

聚电解质分子式

乙烯胺(f)、聚乙烯吡啶(g)等。此外，还有无机类的聚磷酸盐(h)、聚硅酸盐(i)和天然的核酸、蛋白质。后二者因一分子中具有酸性和碱性两种可电离的基团，所以称为高分子两性电解质。

补充：

按来源：天然高分子电解质、化学改性高分子电解质、合成高分子电解质

按形态：高分子全固态电解质、分子凝胶电解质

按离子类型：阳离子聚电解质、阴离子聚电解质、两性高分子电解质按结构：主链带离子团的高分子电解质、侧链带梳状离子基团的高分子电解

质、中性单体与离子单体的共聚物

按传输离子：质子导电电解质、离子导电电解质

按高分子基团：醚类、酯类、胺类等

高分子电解质的制备

（1）阳离子聚电解质的合成：

1）单体共聚法：通过阳离子型单体的共聚反应获得阳离子聚电解质。该方法由于阳离子单体种类有限，合成工艺复杂和制备成本较高等缺点，应用受到限制。

2）高分子化学反应法：以天然或合成高分子为母体，通过高分子链上的基团与阳离子化试剂的化学反应，获得阳离子聚电解质的方法。与1）比较合成工艺相对简单，目前应用较多的有天然高分子如淀粉、纤维素等和合成高分子如PS、

PVC、聚乙烯醇等阳离子化改性物。

（2）阳离子聚电解质的合成

1）聚丙烯酸盐的合成：首先由丙烯酸或丙烯酸酯与金属的氢氧化物中和或皂化制备（甲基）丙烯酸的铵、钠、钾、镍等盐的单体，然后用水溶性氧化还原引发剂引发丙烯酸盐单体的自由基水溶液聚合。

2）聚苯乙烯磺酸盐的合成：有两条合成路线，一是苯乙烯磺酸盐聚合，二是苯

乙烯的磺化反应制备。

3）苯乙烯磺酸盐的合成：由乙烯磺酸盐钠单体在水溶液中自由基聚合制备。

4）羟甲基纤维素的合成：将富含纤维素的棉短绒或木质纸浆纤维用氢氧化钠溶液处理后，与氯乙酸钠在50-70度反应。可的羟甲基纤维素。

（3）两性高分子电解质的合成

1）阳离子单体与阴离子单体的共聚

2）离子对单体聚合：通过阴离子单体的银盐与阳离子单体的碘离子反应，或酸碱性不同单体间的中和反应制备离子对单体聚合，即可得到与溶液的PH值无关

的离子对两性高分子。

溶液性质

聚电解质溶解在水或低级醇中时，电离成为一个聚离子和许多与聚离子电荷相反的小离子，称反离子。聚离子的分子链上有许多固定的电荷，如聚酸类带负电荷，称为聚阴离子，其反离子则带正电荷，所以在聚离子的周围有静电场，使聚电解质的水溶液的性质与其他非离子结构的高分子溶液性质很不相同。

聚电解质具有高分子溶液的特性，例如粘度、渗透压和光散射等。由于它带有电荷，并且这三方面的性质又不同于一般的高分子，不能用上述溶液的特性与分子量的关系式来测算分子量。例如，聚电解质溶液的比浓粘度ηn/c与其浓度c不成线性关系。在无盐的水溶液中，比浓

聚电解质

粘度通常随着稀释而增加，反离子对聚离子的中和作用减弱，使链伸展，因此粘度增大。只有在适当浓度的盐溶液中才呈线性关系（图1）。所以测定聚电解质的分子量时，必须把聚电解质溶解在一定浓度的盐溶液中(见表)。用多元酸（如磷酸）中和聚阳离子（如聚乙烯吡啶）时，溶液粘度增高，有时产生沉淀。聚阳离子溶液与聚阴离子溶液混合时,立即产生聚盐而凝聚沉淀出来。聚盐只能溶解在一定浓度的LiCl、CaCl2等无机盐中, 例如,聚丙烯酸水溶液和聚乙烯吡啶丁基季铵水溶液混合时,即使溶液稀释到10N，也立即产生絮状沉淀，使溶液浑浊。分子形态大多数聚电解质具有柔软的分子链，可以曲折变形。这种变形大致分为四种（图2）。例如，聚合度为1000的聚丙烯酸被碱中和而完全舒展时，分子链长度为2500埃，即图2c中的l；未被中和时,则无规卷曲成半径为200埃的球形,如图2a所示。聚电解质的分子构型对生物的生命活动具有重要意义。例如，生物体中的核酸以双股螺旋形分子存在,如图2d所示,其结构构象携带生物遗传因子。又如聚L-谷氨酸-γ-苄酯，在二氯乙酸中为无规卷曲形，在其他有机溶剂中则为刚性柱状螺旋形，如图2b所示。聚电解质分子的构象对离子环境，如溶剂、温度和浓度等极敏感。

应用

聚电解质可用作食品、化妆品、药物和涂料的增稠剂、分散剂、

絮凝剂、乳化剂、悬浮稳定剂、胶粘剂，皮革和纺织品的整理剂，土壤改良剂，油井钻探用泥浆稳定剂，纸张增强剂，织物抗静电剂。聚电解质还对生物显示许多生理作用。