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聚丙烯酰胺膨脹原理及對(duì)于凝膠的影響

        吸水膨脹是水凝膠聚丙烯酰胺的一個(gè)*重要特性。凝膠吸收液體使自身體積增大的現(xiàn)象稱為膨脹。聚丙烯酰胺在水溶液中，吸收水分子與交聯(lián)聚合物的基團(tuán)發(fā)生水合，解析出大量的陽(yáng)離子 ，陽(yáng)離子做相對(duì)自由的運(yùn)動(dòng)，而解析出的聚合物離子則處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這兩者間存在很大的靜電斥力，可以使聚合物鏈的伸展并*終導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在空間上的擴(kuò)張，水分子與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中解析出離子水合，水合后構(gòu)成了與自由水不相同的環(huán)境，內(nèi)外存在很強(qiáng)的滲透壓。這種滲透壓的作用，周圍水分子可以持續(xù)進(jìn)入交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致了聚電解質(zhì)具有很強(qiáng)的吸水能力。當(dāng)膨脹達(dá)到平衡時(shí),凝膠的體積增至V與初始體積Vo的比值V/V。稱為膨脹度。水凝膠的膨脹度通常有幾百倍(如用于衛(wèi)生制品的吸水樹(shù)脂),有的可高達(dá)幾千倍。丙烯酰胺2異丁基磺酸水凝膠根據(jù)膨脹機(jī)理的研究,水凝膠的吸水膨脹過(guò)程可以認(rèn)為分三個(gè)階段。遇水前,凝膠是一固態(tài)的高分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),電離基團(tuán)未電離成離子對(duì)。

        遇水后,首先是水分子向凝膠網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散,而后是水合作用,進(jìn)入凝膠聚丙烯酰胺的水分子與大分子上的親水基團(tuán)作用形成水合層,電離基團(tuán)電離成聚離子和反離子,聚離子同性電荷間的靜電斥力使高分子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張,此過(guò)程時(shí)間很短,速度快。第三階段是水的滲透作用,使凝膠吸收大量的水,凝膠網(wǎng)絡(luò)向空間擴(kuò)展,體積大幅度增加。凝膠的體積之所以膨脹(或收縮),是由于凝膠內(nèi)部的溶液與其外部周圍的溶液之間存在著滲透壓,凝膠本身起到了半透膜的作用。在水凝膠的膨脹過(guò)程中,水向凝膠網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散滲透基于兩個(gè)原因:是水在凝膠體系內(nèi)外存在濃度差;二是凝膠體系要求保持電中性,凝膠中的反離子不能遷移到凝膠之外,使凝膠內(nèi)外產(chǎn)生離子濃度差,這與高分子電解質(zhì)溶液的膜滲透現(xiàn)象相似。這些濃度差是水滲入凝膠聚丙烯酰胺使其膨脹的推動(dòng)力。在凝膠膨脹和高分子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的同時(shí),產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)的彈性收縮力(與橡膠網(wǎng)絡(luò)的彈性現(xiàn)象相似),并隨著膨脹體積的增大而增大。網(wǎng)絡(luò)的彈性收縮力是水滲入凝膠的阻力。當(dāng)膨脹的阻力與推動(dòng)力相等時(shí),膨脹達(dá)到平衡。