高分子链间氢键解离的研究

Hydrogen bonding of macromolecules is a very important issue in various areas. This project is focus on hydrogen bonding, and study the detachment of hydrogen bonds between polymer chains. We will prepare hydrogen-bonded polymer complex as model compounds and select the different solvents, to investigate the process of hydrogen bonds breakage of polymer chains. We plan to monitor dissolution process of the polymer complex, explore the relationship between hydrogen bonding intensity in polymer and dissolving conditions, demonstrate the hydrogen bonding effect on dissolution process, and put forward the mechanisms for the hydrogen bond breakage between polymer chains, in order to provide guide for practical dissolution of synthetic high-performance polymer and biomass.

高分子氢键作用是许多领域所关注的问题。本项目专注于氢键作用，研究高分子链间的氢键解离。采用高分子氢键复合物作为模型化合物，选择不同的溶剂体系，研究常压下、高温高压下、以及电场存在的条件下高分子链间氢键的解离过程。监测高分子氢键复合物的溶解过程，探索氢键复合物稳定性和解离条件之间的关系,阐述高分子链间氢键对于溶解过程的影响，提出高分子链间氢键解离的机理，为氢键聚集高分子体系的实际溶解加工提供理论和实验支持。

氢键是分子间或分子内存在的弱相互作用，是高分子复合的主要驱动力之一，它可以改变物质的物理特性，如熔点、沸点、介电性等，也对超分子和结晶结构的形成起重要作用，如DNA的双螺旋结构，而氢键的稳定性对氢键复合物的应用至关重要，研究高分子链间氢键的解离行为不仅有助于复合物结构和形貌的可控调节，还可应用于生物可再生资源的溶解和加工。本课题组研究了基于氢键作用形成的复合薄膜和复合纤维在外界环境刺激下发生的氢键断裂和重组行为，表征了薄膜和纤维结构、形貌的改变，并测试了它们的性能变化。实验研究了聚乙烯吡咯烷酮/聚丙烯酸氢键薄膜在不同酸性溶液（三氟乙酸、磷酸、甲酸）以及不同非极性溶剂（DMA、DMSO、NMP、TMU）中的溶解行为，薄膜溶解的快慢与不同介质中氢键的解离机理有关。在pH调控下，聚乙烯吡咯烷酮/聚丙烯酸薄（PVPON/PAA）膜能够可控吸附和释放罗丹明染料分子，热交联的PVPON/PAA氢键薄膜能够实现反复溶胀和收缩行为。引入贻贝粘蛋白多巴胺（dopa），通过邻苯二酚交联和歧化反应分别得到PAA-dopa/PVPON氢键自支撑薄膜和聚多巴胺-（PAA-dopa/PVPON）复合物胶囊，同样地，pH调控氢键的解离与重组可实现薄膜与胶囊的反复溶胀和收缩行为。生物相容性的聚2-噁唑啉/聚丙烯酸（PEOX/PAA）薄膜可在电解池中解离，电极附近水解形成的pH梯度区间引起了薄膜的解离，并可通过控制实验参数来调节解离速度；利用水热环境研究发现高分子链间氢键的部分断裂使氢键复合薄膜发生去润湿行为。在纤维方面，利用氢键作用制备的PEO/PAA纤维具有高弹性，是因为PEO和PAA间弱的氢键作用抑制了PEO的结晶，保留了PEO的柔性。尼龙6在水热温度140℃以上时会出现晶型转变和水解行为，水热条件下尼龙6分子中的氢键作用被减弱并且再结晶过程中氢键结合方式的转变引起了晶型转变，在更高的水热温度下，氢键完全解离，尼龙6水解。这些研究结果充分体现了高分子链间氢键解离在薄膜和纤维等低维材料中的应用。