两性聚电解质凝胶是由阴离子单体和阳离子单体组成的，拥有良好的自愈性能，在生物材料和生物工程领域具有广阔的应用前景。因此研究两性聚电解质凝胶的合成及其性能具有重要意义。

        基于上述背景，中国科学院化学研究所贾迪研究员课题组以p-苯乙烯磺酸钠（NaSS）和N,N,N-三甲基-3-(2-甲基烯丙酰氨基)-1-氯化丙铵（MPTC）为单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）为交联剂，α-酮戊二酸为引发剂制备得到了两性聚电解质凝胶，并研究了化学交联键、单体浓度控制的拓扑缠结和离子键对其粘弹性的影响（如图1）。在低单体浓度（如图2）或低化学交联密度（如图3）下，只有具有中等离子键强度的两性聚电解质凝胶网络才能监测到离子键的缔合-解离动态平衡，即在动态频率扫描中在低频下存在弹性模量和损失模量的交点。以交点为标志的固液转变是动态离子键缔合凝胶的典型特征，代表了凝胶网络中离子键的动态缔合-解离和拓扑纠缠的完全松弛。

图1 在低单体浓度或低化学交联密度的两性聚电解质水凝胶中，只有具有中等离子键强度的两性聚电解质凝胶网络才能监测到离子键的缔合-解离动态平衡，即在动态频率扫描中在低频下存在弹性模量和损失模量的交点。同时，具有离子键的缔合-解离动态平衡的两性聚电解质凝胶拥有自愈合特性，因此其屈服应变能达到200%以上。离子键的强度太强或太弱均不具备以上特性。

图2 固定交联密度XL=0.5%，摩尔电荷比R=0.52，不同单体总浓度C_m时，两性聚电解质凝胶的动态频率扫描。实心(空心)符号表示弹性(损耗)模量。

图3 固定摩尔电荷比R=0.52，固定总单体浓度C_m=1.5 mol/L (a)和C_m=2 mol/L (b)时，改变化学交联密度XL时两性聚电解质凝胶的动态频率扫描。实心(空心)符号表示弹性(损耗)模量。

       同时，具有离子键的缔合-解离动态平衡的两性聚电解质凝胶拥有自愈合特性，因此其屈服应变能达到200%以上。在非线性屈服测量中（如图4），由于离子键的自愈特性和动态缔合离解，具有中等离子键强度的凝胶在很大的剪切应变下具有韧性和屈服。但当离子键强度过弱或过强时，自愈特性就会消失。

图4 两性聚电解质凝胶的屈服实验。固定交联密度XL=0.5%，摩尔电荷比R=0.52，不同单体总浓度(a) C_m=1.5 mol/L， (b) C_m=2.0 mol/L的凝胶，在三种状态下进行应变扫描:刚制备好的状态、用去离子水溶胀和用2 mol/L NaCl溶液溶胀后达到溶胀平衡的状态。

      该工作揭示了离子键的缔合-解离动态平衡是如何影响两性聚电解质凝胶在线性黏弹区和非线性黏弹性的特性与机制。

      该工作即将发表在Chinese Journal of Polymer Science的"Charged Polymers"专辑。薛友财硕士研究生与杨一鸣博士是该论文的共同第一作者，贾迪研究员为通讯作者。

原文信息：

Interplay between Microscopic Structures and Macroscopic Viscoelastic Properties of Polyampholyte Gels

Xue, Y. C.; Yang, Y. M.; Jia, D.

Chinese J. Polym. Sci. 

DOI: 10.1007/s10118-024-3116-6