聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM刷转变中的氢键作用

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聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM刷转变中的氢键作用

作者：郭秀珍 赵新军

来源：《科技创新导报》2015年第18期

摘 要：聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）高分子刷体系采用关联模型（association models），对水-水的氢键和PNIPAM-水的氢键在高分子刷转变中的作用进行研究。首先，通过分析刷体积分数与温度的关系发现，由于两种氢键作用，PNIPAM刷在高温下塌缩，在低温下伸展，结果表明在体积相变过程中两种氢键都起着重要作用。其次，对旋节线的研究发现，对PNIPAM 刷转变过程中出现的下临界共溶温度（LCST）现象也是由于PNIPAM-水氢键和水-水氢键共同作用的结果。

关键词：PNIPAM刷 体积相变 氢键

中图分类号：O484 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（c）-0255-01 PNIPAM刷是由PNIPAM高分子在材料表面吸附或接枝所形成的单分子层界面，作为环境响应性表面，PNIPAM刷已被广泛应用于表面润湿、生物相容材料、可控药物释放体系、细胞生长与分离以及微纳米材料的制备等领域。研究发现，当温度升高时，氢键作用减弱，疏水性侧基间的疏水作用增强，PNIPAM刷塌缩。Zhang等人[1]的实验发现，在33℃时，聚丙烯酰胺刷（PNIPAM brushes）体系的相变出现不连续，因此推断主要是因为氢键作用形成了该相变。因此，人们极为关注高分子相变中的氢键作用，并相续展开了相关的实验、理论、模拟[1]研究。理论研究表明，Lele和Badiger引进的氢结合建设的统计力学模型，对水溶液中的体积和高分子刷氯仿相转移进行预言，主要基于相关模型（association models）的建设理论，只对溶剂分子和高分子单体间的氢结合有所考虑，没有考虑系统中水-水氢结合，例如：聚氧乙烯、PNIPAM水溶液中的水，水氢结合。最新的研究证明，只有在考虑了水氢结合的情况才能正确的解释实验现象。

在该文中，对水分子间与PNIPAM 高分子的水—水氢键、氢键进行考虑，并对两种氢键在 PNIPAM刷转变中的作用进行研究。 1 理论模型

可用以下公式表示高分子刷体系自由能：

自由能第一、第二项分别表示为高分子刷体系的混合熵和弹性能[4]。

形成氢键的自由能是自由能第三项，根据配分函数，可将形成氢键的自由能表达成：