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。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。
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、聚乙烯胺(f)、
聚乙烯吡啶(g)等。此外,还有
无机化合物类的
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。
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与其浓度c不成线性关系。在无盐的水溶液中,比浓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)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、等
无机盐中, 例如,
聚丙烯酸水溶液和聚乙烯吡啶
丁基季水溶液混合时,即使溶液稀释到,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-,在
Dichloroacetic Acid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。
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。