HPAN/SPI電刺激敏感型水凝膠纖維的研究
時間:2005-05-24
焦明立 俞力為 顧利霞
(纖維材料改性國家重點實驗室 東華大學 上海市延安西路1882號 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,又稱為聚電解質水凝膠，包括荷負電的聚陰離子[1]和荷正電的聚陽離子凝膠[2]。它們在電解質水溶液中，非接觸直流電場作用下會發生彎曲，其機理可用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大天然高分子材料的應用領域，本文采用水解PAN和SPI的共混水溶液復合得到紡絲原液，用自制紡絲機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、拉伸干燥得到HPAN/SPI響應性水凝膠纖維。一系列水凝膠纖維的紅外表征中可發現在凝膠纖維中出現了響應性荷負電的羧酸基團和戊二醛與氨基交聯生成的－C＝N－基團。
凝膠纖維的彎曲度采用如下方程計算[4]：彎曲度（Bending degree） = 100× ( L0–Lt)/L0 式中L0 是施加電場前的樣品長度，Lt 是施加電場時樣品兩端的直線距離，見Figure 1。
結果與討論
改變水溶液或凝膠的組成，在非接觸直流電場中水凝膠纖維有不同的彎曲響應行為。
減小水凝膠纖維的直徑或增大施加的電場強度的過程中，水凝膠纖維的響應性正如預想的一樣，彎曲響應性也隨之增加。
不同pH值水溶液中凝膠纖維的彎曲變化如fig 2，在強酸溶液中，－COOH基團相互結合成氫鍵使得凝膠結構致密，凝膠網絡只有極少量離解的COO－，從而固定電荷密度大大降低，凝膠內外的滲透壓減少，最終導致凝膠在電場刺激下彎曲變形降低，同時隨pH的增加－COOH逐漸的解離，固定電荷數量增加，而同時凝膠纖維的溶脹變化卻很小，固定電荷密度增加了，從而凝膠的電場響應速率和響應程度都增加了，即隨著pH的增加不斷的升高。但由于在pH為12.0時，凝膠在堿溶液中已有較大的溶脹度（right），導致了固定電荷密度的相對減少，從而在pH＝11.0以后，凝膠網絡中固定電荷密度就處于下降趨勢中，同時相對較高的反離子（Na＋）的離子強度也會對凝膠網絡轉念館固定電荷產生靜電屏蔽效應導致聚陰離子之間的靜電斥力下降，進而滲透壓減少，結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度含量對纖維彎曲度的影響。
不同電解質濃度的溶液中，電解質濃度的增加將誘發更多的自由離子向反電荷電極方向運動透過凝膠，結果凝膠纖維的平衡彎曲增加；但是，如果環境溶液的離子強度超過某一臨界濃度0.1 M，將發生反離子對凝膠網絡中固定電荷的靜電屏蔽現象，降低固定電荷之間的靜電排斥作用，導致網絡發生解溶脹，凝膠網絡收縮為更為緊密的結構，使得離子向凝膠網絡的擴散難以發生，導致滲透壓減少，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，發現在0.1M的Na2SO4水溶液、1.0％的交聯劑含量、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中有優良的電場彎曲行為。
參考文獻：
[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
