HPAN/SPI电刺激敏感型水凝胶纤维的研究

                                   

焦明立 俞力为 顾利霞
(纤维材料改性国家重点实验室 东华大学 上海市延安西路1882号 200051 jiaomingli@mail.dhu.edu.cn TEL:021-62379786)

        一般电刺激敏感型水凝胶中都具有可离子化的基团,又称为聚电解质水凝胶，包括荷负电的聚阴离子[1]和荷正电的聚阳离子凝胶[2]。它们在电解质水溶液中，非接触直流电场作用下会发生弯曲，其机理可用Flory的渗透压方程解释[3]。

        为了逐步地提高水凝胶的生物相容性和扩大天然高分子材料的应用领域，本文采用水解PAN和SPI的共混水溶液复合得到纺丝原液，用自制纺丝机挤到含一定量的戊二醛的Na2SO4的饱和水溶液的凝固浴中，成型交联、拉伸干燥得到HPAN/SPI响应性水凝胶纤维。一系列水凝胶纤维的红外表征中可发现在凝胶纤维中出现了响应性荷负电的羧酸基团和戊二醛与氨基交联生成的－C＝N－基团。

        凝胶纤维的弯曲度采用如下方程计算[4]：弯曲度（Bending degree） = 100× ( L0–Lt)/L0 式中L0 是施加电场前的样品长度，Lt 是施加电场时样品两端的直线距离，见Figure 1。

结果与讨论
        改变水溶液或凝胶的组成，在非接触直流电场中水凝胶纤维有不同的弯曲响应行为。
        减小水凝胶纤维的直径或增大施加的电场强度的过程中，水凝胶纤维的响应性正如预想的一样，弯曲响应性也随之增加。

        不同pH值水溶液中凝胶纤维的弯曲变化如fig 2，在强酸溶液中，－COOH基团相互结合成氢键使得凝胶结构致密，凝胶网络只有极少量离解的COO－，从而固定电荷密度大大降低，凝胶内外的渗透压减少，最终导致凝胶在电场刺激下弯曲变形降低，同时随pH的增加－COOH逐渐的解离，固定电荷数量增加，而同时凝胶纤维的溶胀变化却很小，固定电荷密度增加了，从而凝胶的电场响应速率和响应程度都增加了，即随着pH的增加不断的升高。但由于在pH为12.0时，凝胶在碱溶液中已有较大的溶胀度（right），导致了固定电荷密度的相对减少，从而在pH＝11.0以后，凝胶网络中固定电荷密度就处于下降趋势中，同时相对较高的反离子（Na＋）的离子强度也会对凝胶网络转念馆固定电荷产生静电屏蔽效应导致聚阴离子之间的静电斥力下降，进而渗透压减少，结果降低了凝胶纤维的变形弯曲程度。同样的原理可解释不同交联度含量对纤维弯曲度的影响。

        不同电解质浓度的溶液中，电解质浓度的增加将诱发更多的自由离子向反电荷电极方向运动透过凝胶，结果凝胶纤维的平衡弯曲增加；但是，如果环境溶液的离子强度超过某一临界浓度0.1 M，将发生反离子对凝胶网络中固定电荷的静电屏蔽现象，降低固定电荷之间的静电排斥作用，导致网络发生解溶胀，凝胶网络收缩为更为紧密的结构，使得离子向凝胶网络的扩散难以发生，导致渗透压减少，从而凝胶纤维的平衡弯曲降低。
        首此制备了HPAN/SPI水凝胶纤维，发现在0.1M的Na2SO4水溶液、1.0％的交联剂含量、pH为11.0的NaOH水溶液中、高电压和小直径的水凝胶纤维在非接触直流电场中有优良的电场弯曲行为。

参考文献：
[1] Kim S.Y., Lee Y. M..J Appl Polym Sci，1999，74：1752
[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
[4] Sun S., Wong Y. W., Yao K. D. J Appl Polym Sci, 2000, 76: 542
[5] Jianqi F., Zipeng Z., Lixia G.. J. Appl Polym Sci, 2002, 85: 2423