聚丙烯酰胺膨胀原理及对于凝胶的影响

      吸水膨胀是水凝胶聚丙烯酰胺的一个*重要特性。凝胶吸收液体使自身体积增大的现象称为膨胀。

      聚丙烯酰胺在水溶液中，吸收水分子与交联聚合物的基团发生水合，解析出大量的阳离子 ，阳离子做相对自由的运动，而解析出的聚合物离子则处于相对静止状态，这两者间存在很大的静电斥力，可以使聚合物链的伸展并*终导致整个网状结构在空间上的扩张，水分子与网状结构中解析出离子水合，水合后构成了与自由水不相同的环境，内外存在很强的渗透压。这种渗透压的作用，周围水分子可以持续进入交联聚合物网络中，导致了聚电解质具有很强的吸水能力。当膨胀达到平衡时,凝胶的体积增至V与初始体积Vo的比值V/V。称为膨胀度。水凝胶的膨胀度通常有几百倍(如用于卫生制品的吸水树脂),有的可高达几千倍。丙烯酰胺2异丁基磺酸水凝胶根据膨胀机理的研究,水凝胶的吸水膨胀过程可以认为分三个阶段。遇水前,凝胶是一固态的高分子交联网络,电离基团未电离成离子对。

       遇水后,首先是水分子向凝胶网络扩散,而后是水合作用,进入凝胶聚丙烯酰胺的水分子与大分子上的亲水基团作用形成水合层,电离基团电离成聚离子和反离子,聚离子同性电荷间的静电斥力使高分子网络扩张,此过程时间很短,速度快。第三阶段是水的渗透作用,使凝胶吸收大量的水,凝胶网络向空间扩展,体积大幅度增加。凝胶的体积之所以膨胀(或收缩),是由于凝胶内部的溶液与其外部周围的溶液之间存在着渗透压,凝胶本身起到了半透膜的作用。在水凝胶的膨胀过程中,水向凝胶网络扩散渗透基于两个原因:是水在凝胶体系内外存在浓度差;二是凝胶体系要求保持电中性,凝胶中的反离子不能迁移到凝胶之外,使凝胶内外产生离子浓度差,这与高分子电解质溶液的膜渗透现象相似。这些浓度差是水渗入凝胶聚丙烯酰胺使其膨胀的推动力。在凝胶膨胀和高分子网络扩张的同时,产生网络的弹性收缩力(与橡胶网络的弹性现象相似),并随着膨胀体积的增大而增大。网络的弹性收缩力是水渗入凝胶的阻力。当膨胀的阻力与推动力相等时,膨胀达到平衡。