擴散誘導制備各向異性藻酸鹽凝膠

王麗男

摘 要：在本實驗中主要研究了海藻酸鈉溶液在離子的作用下，通過擴散制備具有各向異性結構的海藻酸鈉凝膠。探究了形成海藻酸鈉各向異性凝膠的影響因素，用偏光顯微鏡表征了樣品的各向異性。利用流變手段表征海藻酸鈉溶液在離子作用下的凝膠過程。

關鍵詞：藻酸鹽；各向異性；凝膠

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.170

0 前言

海藻酸是由β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古羅糖醛酸（G）經過1，4鍵合形成的一種陰離子型的電荷密度較高的無規線性的嵌段共聚物[1]。當水溶性的SA的溶液與多價金屬離子M2+（如Ca2+、Zn2+、Fe2+、Co2+、Cu2+等）或M3+（如Al3+、Fe3+等）混合后，形成海藻酸鹽凝膠。G單元上的羧基氧和羥基氧與M2+產生螯合作用[2]。

圖1所示，在海藻酸鈣凝膠中，一個鈣離子與海藻酸鈉一條或兩條分子鏈上相鄰的G段作用，海藻酸鈣凝膠是典型的離子交聯型凝膠，形成穩定的海藻酸鈣凝膠結構至少需要6-10個G嵌段[3]。作為球形凝膠珠和柱狀凝膠的替代品，在雙層玻璃中，以鈣離子為外表面的膜，制備了各向異性結構的海藻酸鈉凝膠。本文還研究了影響藻酸鈉各向異性凝膠形成的厚度因子。用偏光顯微鏡對樣品的各向異性進行了表征，并用流變學方法對海藻酸鈉溶液在離子作用下的凝膠過程進行了表征。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

海藻酸鈉，氯化鈣，去離子水，載玻片。

1.2 儀器與表征

（1）流變性能測試：德國安東帕MCR-301型旋轉流變儀；穩態掃描模式和動態掃描模式。（2）偏光測試：偏光顯微鏡分析，可以利用偏光顯微鏡（POM）觀察視野內是否呈現出明顯的雙折射來對取向行為進行判斷。

1.3 實驗過程

量取一定量的蒸餾水加入到燒杯中，同時稱取純化后干燥好的SA邊攪拌邊加入到燒杯中，室溫下機械攪拌4h，使海藻酸鈉充分溶脹，然后在50℃的恒溫水浴中繼續攪拌0.5h，使海藻酸鈉充分溶解，得到均勻穩定的SA溶液。將配制好的一定質量分數的SA溶液均勻的涂抹在兩片玻璃片中間，通過溶液的質量來控制厚度，將玻璃片兩端進行固定。將樣品放入提前配制好的CaCl2溶液中，一段時間后取出形成的凝膠膜，清洗備樣。

2 結果與討論

圖1左圖是采用雙玻璃片法制備各向異性海藻酸鈉凝膠的示意圖。將尺寸規格為2020mm的蓋破片四周固定，將一定質量分數的SA溶液置于玻璃片之間，將樣品置于一定濃度的CaCl2溶液中，讓鈣離子從四周往中心進行擴散，擴散方向如紅色箭頭所示，兩玻璃片之間的厚度通過控制SA的質量來計算控制。b是通過鈣離子擴散制備的各向異性海藻酸鈉凝膠薄膜。由圖1右圖可以看出，海藻酸鈉通過鈣離子的交聯形成的海藻酸鈣凝膠薄膜由于外部海藻酸鈉分子鏈與鈣離子結合程度比內部強，因此，相比于中心區的內部外部邊緣地帶透光率更好。

純的海藻酸鈉溶液的穩態流變曲線和動態流變曲線如圖2所示，由圖可知純的SA溶液表現出典型的切力變稀現象，是牛頓流體中的假塑性流體。由圖2 a可以看出，隨著海藻酸鈉濃度的增大，表觀粘度逐漸增大。這是由于隨著溶液中分子密度的增加，分子間的范德華力以及氫鍵作用力逐漸增強，使得海藻酸鈉溶液粘度逐漸增大。儲能模量G代表海藻酸鈉高分子溶液的彈性；損耗模量G代表高分子溶液的粘性。由圖2 b可以看出隨著海藻酸鈉溶液濃度的增大，儲能模量和損耗模量都逐漸增大。當剪切速率較低時，海藻酸鈉溶液模量G>G，即損耗模量大于儲能模量，海藻酸鈉表現出溶液的粘性特性，隨著剪切速率的增大，G、G逐漸增大，但是G增大的幅度較大，當剪切速率達到一定值時，G=G，此時是海藻酸鈉溶液到凝膠的轉變點；剪切頻率繼續增大，G>G，海藻酸鈉彈性大于粘性，海藻酸鈉溶液凝膠化，表現出凝膠的特性。

3 實驗結論

研究了海藻酸鈉溶液的流變性能，研究發現：海藻酸鈉溶液在低剪切速率下表現出牛頓流體的特性，在高剪切速率范圍內，表現出切力變稀的非牛頓流體特性，隨著剪切速率的增大，表現出凝膠的特性。研究了各向異性SA凝膠的影響因素。

參考文獻：

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