ChemPhysMater鲁东大学徐文龙课题组‖两性离子聚合物的结构、基本性质和主要应用

引 用

Keyu Qu, Zhiang Yuan, Yanyan Wang, Zhaohui Song, Xuyang Gong, Yi Zhao, Qiyu Mu, Qinghong Zhan, Wenlong Xu, Linlin Wang. Structures, properties, and applications of zwitterionic polymers, ChemPhysMater, 1(2022), 294-309.

https://doi.org/10.1016/j.chphma.2022.04.003

文 章 亮 点

1. 综述了目前所使用的两性离子聚合物的各种结构。

2. 基于两性离子聚合物表现出的pH响应性、抗聚电解质效应、超强导电性，对其性质产生原因进行了讨论。

3. 阐述了两性离子聚合物在防污、药物释放、废水处理、传感器、海水淡化、抗冻、应用方向的最新进展，为未来两性离子聚合物的研究提供了指导。

引 言

      普通高分子材料的离子传导性差、持水能力低，严重限制了其在相关领域的进一步发展。因此，迫切需要探索出一种不仅具有超亲水性、能进行电性可控转换，并表现出高度敏感导电性的聚合物，由两性离子聚合物制备的高分子材料可有效解决上述问题。两性离子聚合物具有独特的分子结构——在同一个重复单元中，正负电荷同时存在。基于此，两性离子聚合物具有高偶极矩和众多的带电基团，这赋予其强大的离子传导性。两性聚合物的分子链可以保持电中性状态，但带相反电荷的基团的共存赋予两性离子聚合物极高的极性和良好的亲水性。两性聚合物的电性可以由环境中的pH值和盐离子进一步调节。因此，两性离子聚合物大大拓宽了高分子材料的应用范围。基于此，鲁东大学徐文龙课题组本科生科研团队综述了两性离子聚合物的结构、性质以及应用方向的最新研究进展。相关工作以题为“Structures, properties, and applications of zwitterionic polymers”发表在ChemPhysMater上。

内 容 简 介

      作者首先归纳了目前所使用的两性离子聚合物的各种结构类型，并列举了常见的两性离子聚合物结构。两性离子聚合物的结构分子单元通常有一对阳离子和阴离子基团。阴阳离子基团的分布可分为两类：一类为阴阳离子基团同侧分布；另一类为阴阳离子基团两侧分布（图1）。

▲图1 两性离子聚合物的结构特征

      接下来，作者基于两性离子聚合物的结构特征，综述了两性离子聚合物的pH敏感性、盐响应及强导电性。

      两性离子聚合物在等电点时呈现电中性，当所处环境的pH发生变化时，两性离子聚合物的电性也会发生相应的变化，成为聚电解质。作者分析了两性离子聚合物pH敏感性的原因，通过Henderson-Hasselbalch公式指出在不同pH环境下，两性离子聚合物能表现出不同的电性程度。此外，作者从宏观现象的角度指出了两性离子聚合物的pH敏感性，如：两性离子聚合物溶液的透明度变化与膨胀度变化（图2）。

▲图2 两性离子聚合物的pH敏感特性

      处于盐溶液环境下的两性离子聚合物的粘度会逐渐提升，与聚电解质效应的现象形成了鲜明的对比，此现象为抗聚电解质效应。作者从盐的浓度和盐的种类两个层面分析了抗聚电解质效应产生的原因。在盐的浓度层面，作者借助德拜公式解释了抗聚电解质效应。德拜公式指出随着盐浓度的提升，电荷之间的作用相互作用逐渐减小，即两性离子聚合物链条由束状转变为网状（图3），故粘度逐渐提升。在盐的种类层面，作者综述了阳离子与阴离子对两性离子聚合物状态的影响。阳离子的价数越高越容易诱发抗聚电解质效应。阴离子对抗聚电解质效应的诱发程度与Hofmeister序列中阴离子水化能力的典型顺序相反，两性离子聚合物处于水化能力强的盐溶液时，抗聚电解质效应无法被诱发，溶液呈现浑浊状（图3）。

▲图3 两性离子聚合物的盐响应

      两性离子聚合物的强导电性是基于分布在两性离子聚合物链条上的阴阳离子官能团。作者综述了由两性离子聚合物制备导电材料的优点，两性离子聚合物材料的高导电性与材料自身的透明性能够满足生物医学领域的需求。此外，作者指出了由两性离子聚合物制备的导电材料在电场环境下发生形变的原因。

      最后，基于两性离子聚合物的pH响应性、盐响应性、强导电性等特性，作者综述了两性离子聚合物的应用研究进展。作者在应用领域部分分析了其应用机理，在应用效果的角度系统地分析了提升两性离子聚合物应用效果的有效手段，指出了两性离子聚合物在各应用领域现存的问题。其中，应用领域包括防污涂层、药物释放、废水处理、传感器、储能设备、抗冻材料、驱动器、海水淡化等。

▲图4 两性离子聚合物在药物释放领域的应用

▲图5 两性离子聚合物在废水处理上的应用

▲图6 两性离子聚合物在传感器领域的应用

▲图7 两性离子聚合物在驱动器领域的应用

      鲁东大学化学与材料科学学院本科生曲柯宇、苑志昂为论文的共同第一作者，鲁东大学徐文龙和山东绿叶制药有限公司的王琳琳为论文通讯作者。

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期刊介绍

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（《化学物理材料（英文）》）

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