馬 超, 趙新軍, , 周 琪

(1 伊犁師范大學(xué) 新疆凝聚態(tài)相變與微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，伊寧 835000; 2 伊犁師范大學(xué) 微納電傳感器技術(shù)與仿生器械實(shí)驗(yàn)室，伊寧 835000)

1引 言

兩性離子聚合物的單體由帶正負(fù)電荷的陽(yáng)、陰離子組成，兩性離子聚合物鏈接枝到培基表面則形成了兩性離子聚合物刷. 由于兩性離子聚合物的單體同時(shí)具有陽(yáng)、陰離子，因此在兩性離子聚合物刷體系中，單體間電偶極矩之間的靜電作用導(dǎo)致兩性離子聚合物刷呈現(xiàn)出許多奇異的構(gòu)象特性和豐富的相行為，并且其在外界作用顯示出典型的刺激響應(yīng)特性[1-3]. 因此，兩性離子聚合物刷已被廣泛的應(yīng)用在調(diào)控材料表面(例如抗污性和潤(rùn)滑性能等)、蛋白質(zhì)吸附、控制藥物釋放、生物技術(shù)等領(lǐng)域[3-6].

由于兩性離子聚合物鏈內(nèi)單體間電偶極矩靜電作用，兩性離子聚合物刷呈現(xiàn)出了優(yōu)異的抗污性能[4,6,7]，近年來(lái)，諸多的研究者對(duì)兩性離子聚合物刷的抗污性進(jìn)行了廣泛的研究[6-11]. Yang 等人[6]設(shè)計(jì)了一種響應(yīng)鹽離子的兩性離子聚合物刷，并發(fā)現(xiàn)了這種刷具有很好的抗污性能，并且鹽離子還可以調(diào)控其抗污性能. Schlenoff 等人[7]設(shè)計(jì)的兩性離子聚合物刷則呈現(xiàn)了非特定(Nonspecific)的抗污特性. 實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，兩性離子聚合物刷呈現(xiàn)出的抗污性能與刷的構(gòu)象和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[8-11]，而溫度、離子濃度和 pH 對(duì)兩性離子聚合物刷的構(gòu)象都會(huì)有明顯影響[12-14]. 例如，在足夠高的溫度下，某些兩性離子聚合物刷完全溶脹，并且通過(guò) pH 或特定的離子可誘導(dǎo)兩性離子聚合物刷構(gòu)象轉(zhuǎn)變[13,14]. Galvin 等人[15]進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)則表明，水蒸氣能夠調(diào)控親水性兩性離子聚合物(HP)刷(PDMAEMA-MeI, PDMAEMA-PrI, PDMAEMA-PS)的溶脹或塌縮. Galvin 等人[15]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著水蒸氣濃度增加，HP 刷單調(diào)溶脹. Galvin 等人還觀察到 Flory-Huggins 參數(shù)值隨著水蒸汽濃度的增加出現(xiàn)了非單調(diào)的變化. Galvin 等人的實(shí)驗(yàn)為控制 HP 刷的構(gòu)象和結(jié)構(gòu)提供了一種新的方案，從而為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異抗污性能 HP 刷提供了新的參考. 深刻理解水蒸氣調(diào)控 HP 刷的構(gòu)象和結(jié)構(gòu)，對(duì)于設(shè)計(jì)具有優(yōu)異抗污性的 HP 刷是非常必要的. 在研究水蒸氣調(diào)控高分子刷構(gòu)象轉(zhuǎn)變方面，Wagman 等人[16]應(yīng)用平均場(chǎng)理論分析了水蒸氣誘導(dǎo)聚合物刷從塌縮到溶脹的轉(zhuǎn)變，定性地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但 Wagman 等人[16]的模型粗略地考慮了聚合物單體間的排斥以及聚合物單體與水分子間的吸引作用，并不能從分子層次上說(shuō)明 HP 刷構(gòu)象轉(zhuǎn)變的機(jī)理，也不能預(yù)言 HP 刷的結(jié)構(gòu)特性. 對(duì)于 HP暴露在水蒸氣中，研究發(fā)現(xiàn)，HP 鏈的單體可以和水分子形成氫鍵(P-W氫鍵)[17,18]，并且水分子與水分子間也可以形成氫鍵(W-W氫鍵)[19]. 這樣，HP 鏈內(nèi)單體間電偶極矩靜電作用、P-W 氫鍵、以及 W-W 氫鍵作用，將會(huì)顯著影響 HP 鏈的構(gòu)象和結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控 HP 刷的抗污性能.

然而，在水蒸氣環(huán)境中，HP 刷的抗污性的物理機(jī)理還沒(méi)有深入研究，并且，HP 鏈內(nèi)單體間電偶極矩靜電作用、P-W 氫鍵、以及 W-W 氫鍵作用，是如何影響 HP 刷的的構(gòu)象和結(jié)構(gòu)、如何調(diào)控 HP 刷抗污性能的機(jī)理仍然是不清楚的. 之前的研究[18]，考慮了 HP 鏈間兩親離子單體-單體鍵合(zwitterions complex)、HP單體與水分子間的氫鍵效應(yīng)，考察了水蒸氣誘導(dǎo)的 HP 刷構(gòu)象轉(zhuǎn)變的機(jī)理和相行為，但是沒(méi)有考慮 HP 鏈內(nèi)單體-單體的偶極作用，也沒(méi)有獲得 HP 刷的結(jié)構(gòu)特性，更不能解釋 HP 的抗污機(jī)制. 在本文中，我們應(yīng)用分子場(chǎng)理論[19]，研究暴露于水蒸氣中的 HP 刷體系，考慮 P-W 氫鍵、W-W 氫鍵[18,19]，以及 HP 鏈內(nèi)單體間偶極-偶極靜電作用[20,21]，從分子層次研究水蒸氣調(diào)控 HP 刷構(gòu)象轉(zhuǎn)變與結(jié)構(gòu)，解釋 HP 刷抗污性能的機(jī)理，預(yù)言新的構(gòu)象和結(jié)構(gòu)特性.

2分子場(chǎng)理論模型

建立暴露于水蒸氣中的 HP 刷體系的分子場(chǎng)理論模型，我們考慮，有NP個(gè)HP 鏈浸沒(méi)在水蒸氣和空氣中，在這樣的體系中 HP 鏈被假定均勻地接枝在培基表面，不均勻的方向僅僅在垂直培基表面(x-y平面)的上半方向，即z≥0方向. 單位面積接枝分子數(shù)即接枝密度為σ=Np/A，每個(gè) HP 高分子鏈有N個(gè)單體，單體的體積為vp=0.4nm3. 體系中水蒸氣和 N2氣體分子(N2氣體分子代替空氣分子)數(shù)目為Nw和Na，單個(gè)水蒸氣分子和空氣分子的體積可取值為vw= 0.03nm3和va=0.025 nm3. 為了考察 P-W 氫鍵、W-W 氫鍵，以及 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用，需要考慮體系中各種分子的大小、形狀、以及每個(gè) HP 分子鏈構(gòu)象，并且考慮系統(tǒng)中的水蒸氣氣體分子數(shù)是可變化的.

帶有正負(fù)電荷的兩親離子聚合物單體：水分子：圖1 暴露于水蒸氣中的 HP 刷體系. Fig. 1 Schematic representation of hydrophilic polyzwitterion brushes in water vapor.

浸沒(méi)在水蒸氣和空氣中的 HP 刷體系單位面積的自由能可表示為：

(1)

式中β表示1/kBT.

方程(1)右邊第一、第二、第三項(xiàng)分別表示 HP 的構(gòu)象熵、水蒸氣分子與空氣分子的平動(dòng)熵[22]，第四項(xiàng)表示 HP 與水蒸氣分子和空氣分子之間之間的有效相互作用，可表示為

(2)

式中χpi(i=w,a)是 Flory 相互作用參數(shù)，χp?w表示 HP 與水蒸氣分子間的有效相互作用勢(shì)，χpa表示 HP 與空氣分子間的有效相互作用勢(shì).χpi(i=w,a) 是決定于溫度的函數(shù)，其中χpa的標(biāo)準(zhǔn)形式為：χpa=Aa+Ba/T，為了符合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)[15]，可以取相應(yīng)的參數(shù)值為：Aa=-0.17,Ba=163. 上式中<φp(z)>是 HP 單體分布的平均體積分?jǐn)?shù)[22]，φi(z)=ρi(z)vi(i=w,a)是距離培基表面z處水蒸氣分子和空氣分子的定域體積分?jǐn)?shù)(ρi(z)標(biāo)記水蒸氣分子和空氣分子的定域分子數(shù)密度)[22].

之前的研究發(fā)現(xiàn)[18,19]，暴露于水蒸氣中的 HP 刷體系中存在 P-W 氫鍵與 W-W 氫鍵，HP 和水蒸氣間的相互作用參數(shù)pw應(yīng)該修正為考慮了兩種氫鍵后的相互作用參數(shù)，即引入一個(gè)包括 P-W 氫鍵和 W-W 氫鍵作用的有效相互作用參數(shù)eff[23]，

χeff=k1x02+k2x0+k3

(3)

式中x0描述 P-W 氫鍵效應(yīng)，假定x0正比于水蒸氣的濃度,x0～C.k1、k2是與 P-W 氫鍵、W-W 氫鍵形成和水蒸氣濃度相關(guān)的參數(shù)，較多的 W-W 氫鍵形成導(dǎo)致較大的k1，較多的 P-W 氫鍵形成導(dǎo)致較大的k2，k3表示與溫度、結(jié)合能以及熵效應(yīng)相關(guān)的參數(shù). 該有效相互作用參數(shù)χeff描述了 P-W 氫鍵和 W-W 氫鍵競(jìng)爭(zhēng)作用對(duì) HP 水合性的影響，較多的 P-W 氫鍵形成使得 HP 水合性增強(qiáng)，W-W 氫鍵形成則會(huì)降低 HP 水合性，因此有效相互作用參數(shù)在描述 P-W 氫鍵和 W-W氫鍵效應(yīng)方面是很重要的，可以用χeff替換χpw.

方程(1)右邊的第五項(xiàng)表示 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用，根據(jù)之前的研究[20,21]，可表示為

(4)

式中ωe表示 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用強(qiáng)度參數(shù)，該參數(shù)描述了HP 單體之間的偶極-偶極靜電作用特性[20,21].

方程(1) 右側(cè)的第六項(xiàng)表示系統(tǒng)的排斥體積相互作用[22]，最后一項(xiàng)表示水蒸氣分子的化學(xué)勢(shì)對(duì)自由能的貢獻(xiàn)，并且化學(xué)勢(shì)可以由下式給出

μ=μ0(T)+lnC

(5)

式中μ0(T)為參考化學(xué)勢(shì)，這取決于溫度，C是水蒸氣的濃度.

當(dāng) HP 分子鏈處α構(gòu)象態(tài)時(shí)，對(duì)P(α)取變分并最小化自由能可得到

(6)

式中q是歸一化常數(shù)，以保證滿足歸一化條件∑αP(α)=1,n(α;z)dz表示構(gòu)象為α的 HP 在dz層內(nèi)的單體數(shù)目[22].

空氣分子在距離培基表面z處的體積分?jǐn)?shù)由下式給出

φa(z)=exp[-βπ(z)va]

(7)

水蒸氣分子的在距離培基表面z處的體積分?jǐn)?shù)φw(z) 可以給出為

φw(z)=Cexp[-βπ(z)vw]

(8)

以上方程(6)-(7)中的未知量是排斥力場(chǎng)π(z)，可以將方程(6)-(7)代入約束條件[22]解出，并由此可以獲得 HP 的平均體積分?jǐn)?shù)<φp(z)>，求解非線性方程的詳盡數(shù)值方案在文獻(xiàn)[22]已經(jīng)給出.

3結(jié)果與討論

本節(jié)中，我們考察暴露于水蒸氣中的 HP 刷的構(gòu)象與結(jié)構(gòu)特性，研究 P-W 氫鍵和 W-W 氫鍵，以及 HP 鏈內(nèi)單體間電偶極矩靜電作用調(diào)控 HP 刷構(gòu)象與結(jié)構(gòu)，并討論相關(guān)的結(jié)果.

首先我們考察 P-W 氫鍵和 W-W 氫鍵對(duì) HP 水合性，和 HP 刷構(gòu)象與結(jié)構(gòu)的影響.

圖2 展示了 HP 與水分子間的有效相互作用參數(shù)隨水蒸氣濃度變化的函數(shù)關(guān)系. 實(shí)驗(yàn)的研究[15]已經(jīng)獲得了不同 HP 與水分子的有效相互作用參數(shù)(圖2 中分散點(diǎn)數(shù)據(jù)). 我們通過(guò)理論模型考慮了 P-W 氫鍵和 W-W 氫鍵效應(yīng)，取值不同的k1、k2、k3可以獲得與實(shí)驗(yàn)符合較好的有效相互作用參數(shù)擬合結(jié)果. 由此表明，當(dāng) HP 刷暴露于水蒸氣中，HP 的單體可以和水分子間形成氫鍵，并且也存在著W-W氫鍵作用. 從圖2 可以看出，當(dāng)k1=0.00015、k2=-0.033、k3=2.4567與，k1=0.00014、k2=-0.025、k3=2.3037時(shí)，隨著水蒸氣濃度的增加，有效相互作用參數(shù)eff單調(diào)地減少. 由于水蒸氣濃度增加，體系中較多的 P-W 氫鍵形成，使得 HP 水合性增強(qiáng). 從圖2 中還可以看出來(lái)，有效相互作用參數(shù)在k1=0.00015、k2=-0.033、k3=2.4567比當(dāng)k1=0.00014、k2=-0.025、k3=2.3037時(shí)有輕微較快地降低，這主要是由于較多的 P-W 氫鍵容易形成，以及較少 W-W 氫鍵形成增強(qiáng)了 HP 的水合性. 圖2 也顯示，當(dāng)k1=0.00125、k2=0.173、k3=6.1445時(shí)，χeff隨水蒸氣濃度增加先減少后輕微地增加. 比較χeff隨水蒸氣濃度增加單調(diào)減少時(shí)的k1、k2參數(shù)，較大的k1意味著體系中 W-W 氫鍵形成較多，降低了 HP 的水合性，表現(xiàn)為在較低水蒸氣濃度時(shí)，χeff呈現(xiàn)了較大的值；同時(shí)，較大的k2也意味著體系中 P-W 氫鍵形成較多，增強(qiáng)了 HP 的水合性，兩種氫鍵相互競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致有效相互作用參數(shù)χeff隨水蒸氣濃度增加先減少后輕微地增加. 有效相互作用參數(shù)χeff隨水蒸氣濃度增加總體減少的趨勢(shì)表明，在 HP 刷中，隨著水蒸氣濃度的增加，P-W 氫鍵形成遠(yuǎn)多于 W-W 氫鍵，在較高水蒸氣濃度條件下，P-W 氫鍵主要決定著 HP 的水合性，從而在不同的水蒸氣濃度條件下，P-W 氫鍵作用會(huì)調(diào)控 HP 刷的構(gòu)象與結(jié)構(gòu).

圖2 有效相互作用參數(shù)χeff隨水蒸氣濃度變化. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自 Galvin 等人[15]的研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)曲線為理論擬合結(jié)果. Fig. 2 Effective interaction parameter χeff as a function of water vapor concentration. Experimental data taken from Galvin et al.[15]Results of ourmodel are presented as solid curves.

圖3 顯示了在不同水蒸氣濃度條件下，HP 單體之間的偶極-偶極相互作用為零時(shí)(ωe=0)，HP 鏈在兩種不同濃度條件下平均體積分?jǐn)?shù)距離培基表面的分布，比較圖中水蒸氣相對(duì)濃度為C=20%和C=50%時(shí)的 HP 刷平均體積分?jǐn)?shù)分布，可以得出，HP 分子構(gòu)象在C=20%時(shí)變得蜷縮，HP 刷塌縮，但是當(dāng)水蒸氣濃度為C=50%時(shí)，HP 分子構(gòu)象變得舒展，HP 刷會(huì)溶脹. 由此表明，水蒸氣能夠誘導(dǎo) HP 刷從塌縮到溶脹的轉(zhuǎn)變，Galvin 等人[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水蒸氣濃度的增加，HP 刷溶脹. 因?yàn)殡S著水蒸氣的增多，HP 和水分子結(jié)合成氫鍵的幾率增大，當(dāng)水蒸氣濃度為C=50%時(shí) P-W 氫鍵形成多于濃度為 W-W 氫鍵形成數(shù)目，較多的 P-W 氫鍵形成增強(qiáng)了 HP 的水合性，從而導(dǎo)致在較高水蒸氣濃度條件下，HP 刷溶脹.

圖3 HP 鏈平均體積分?jǐn)?shù)在垂直培基表面方向(z方向)的分布，接枝密度為σ=0.1nm-2，以及ωe=0. Fig. 3 The average volume fraction of grafted hydrophilic polyzwitterion brushes as a function of the distance from substrate surface.The surface coverage is σ=0.1nm-2and parameter ωe=0.

暴露于水蒸氣中的 HP 刷體系中，除了 P-W 氫鍵形成，在一定程度上影響 HP刷構(gòu)象與結(jié)構(gòu)，此外，HP 鏈內(nèi)單體間偶極-偶極靜電作用也會(huì)明顯地調(diào)控 HP 刷構(gòu)象與結(jié)構(gòu).

圖4 顯示了在不同 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用時(shí)，HP 鏈的平均體積分?jǐn)?shù)在垂直培基表面方向(z方向)的分布，從圖4可以看出，HP 刷平均體積分?jǐn)?shù)距離培基表面的分布會(huì)形成一系列峰值，并且隨著偶極-偶極相互作用增強(qiáng)時(shí)，峰值明顯并且峰值數(shù)目增加. 平均體積分?jǐn)?shù)分布的峰值出現(xiàn)表明，其 HP 鏈在培基表面上沿著鏈方向形成了結(jié)節(jié)狀結(jié)構(gòu)，鏈內(nèi)相近的單體蜷縮形成了結(jié)節(jié)，這是由于 HP 單體之間的偶極-偶極靜電吸引作用導(dǎo)致相近的單體間匯聚結(jié)節(jié)，形成這種結(jié)節(jié)狀結(jié)構(gòu)有利于體系降低自由能. Monte Carlo 模擬[24]和自洽場(chǎng)分析[25,26]研究發(fā)現(xiàn)，聚電解質(zhì)單體正負(fù)離子對(duì)形成的電偶極子的空間排布往往是趨向于反平行的. 由于 HP 單體之間的偶極-偶極吸引相互作用，在刷內(nèi)形成的結(jié)節(jié)相對(duì)單個(gè)單體有較大的體積，占據(jù)了刷內(nèi)的空間，在刷內(nèi)產(chǎn)生了較強(qiáng)的排斥體積作用，這樣，對(duì)于其他各種分子很難進(jìn)入到刷內(nèi)，因此具有結(jié)節(jié)狀結(jié)構(gòu)的這種 HP 刷具有抗污性能. 偶極-偶極相互作用不僅使得離子聚合物鏈內(nèi)單體間的結(jié)節(jié)，在一定的接枝密度環(huán)境下，還會(huì)形成鏈間單體-單體的結(jié)節(jié).

圖4 HP 鏈的平均體積分?jǐn)?shù)在垂直培基表面方向(z方向)的分布，接枝密度為σ=0.1nm-2，C=30%，k1=0.00125、k2=0.173、k3=6.1445. Fig. 4 The average volume fraction of grafted hydrophilic polyzwitterion brushes as a function of the distance from substrate surface for σ=0.1nm-2,k1=0.00125,k2=0.173,k3=6.1445and C=30%.

圖5 顯示了在 HP 刷的平均高度[23]與接枝密度間的函數(shù)關(guān)系，從圖中可以看出，在接枝密度較低的條件下σ<0.34 nm-2，HP 刷平均高度隨接枝密度的增加而增加，這是因?yàn)殡S著接枝密度增加，刷內(nèi)高分子鏈間排斥體積相互作用增大，聚合物鏈將會(huì)舒展以損失構(gòu)象熵，增加體系中水分子的平動(dòng)熵，減小排斥體積作用，降低體系的自由能. 進(jìn)一步增加接枝密度，當(dāng)σ≈0.34 nm-2時(shí)，圖5 中 HP 刷的平均高度呈現(xiàn)出一個(gè)最大值，這表明，在較高的接枝密度條件下，出現(xiàn) HP 鏈間單體-單體的結(jié)節(jié)，高度輕微下降，這樣在刷內(nèi)形成 HP 鏈間結(jié)節(jié)狀的凝膠結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，會(huì)使得刷呈現(xiàn)極強(qiáng)的抗污性，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)[11,12]，HP 刷具有非常好的抗污性能.

圖5 HP 刷的平均高度隨接枝密度的變化，k1=0.00125、k2=0.173、k3=6.1445,C=30%. Fig. 5 The height of hydrophilic polyzwitterion brushes as a function of the surface coverage for k1=0.00125,k2=0.173,k3=6.1445and C=20%.

圖6 顯示了當(dāng) HP 單體之間的偶極-偶極相互作用減小為ωe=2.5、水蒸氣濃度增大為C=60%時(shí)，HP 刷平均體積分?jǐn)?shù)在距離培基表面的較遠(yuǎn)處出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，比較圖4 中峰值數(shù)減少. 由此表明，體系中形成單體-單體結(jié)節(jié)的數(shù)目減少. 這是由于，水蒸氣濃度增加，水合相互作用增強(qiáng)時(shí)，伴隨著 P-W 氫鍵的增加，這將增強(qiáng)在 HP 鏈內(nèi)的沿著鏈的排斥作用，這會(huì)平衡了 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用. 增加 P-W 氫鍵將導(dǎo)致體系獲得更多的自由能，為了平衡額外過(guò)多的自由能，HP 鏈可以由蜷縮狀態(tài)變?yōu)槭嬲範(fàn)顟B(tài)，從而損失構(gòu)象熵以便降低排斥作用減小自由能，降低排斥作用平衡了 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用，使得結(jié)節(jié)解開(kāi)，峰值數(shù)目減少，正如圖6 展示，水蒸氣濃度增大為C=60%時(shí)峰值數(shù)目比較圖4 中減少.

圖6 HP 鏈的平均體積分?jǐn)?shù)在垂直培基表面方向(z方向)的分布，接枝密度為σ=0.1nm-2，C=60%，k1=0.00125、k2=0.173、k3=6.1445. Fig. 6 The average volume fraction of grafted hydrophilic polyzwitterion brushes as a function of the distance from substrate surface for σ=0.1nm-2,k1=0.00125,k2=0.173,k3=6.1445 and C=60%.

4結(jié) 語(yǔ)

在本文中，我們基于分子場(chǎng)理論，考慮 P-W 氫鍵和 W-W 氫鍵效應(yīng)，以及 HP單體之間的偶極-偶極相互作用，研究了暴露于水蒸氣中的 HP 刷的構(gòu)象與結(jié)構(gòu). 研究發(fā)現(xiàn)，HP 與水分子間的有效相互作用參數(shù)隨水蒸氣濃度增加呈現(xiàn)了減少的趨勢(shì)，對(duì)于 HP， P-W 氫鍵和 W-W 氫鍵決定著 HP 的水合性. 在較高水蒸氣濃度環(huán)境下，P-W 氫鍵形成遠(yuǎn)多于 W-W 氫鍵形成，由此表明，在較高的水蒸氣濃度條件下，如果不考慮 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用，P-W 氫鍵形成會(huì)主要調(diào)節(jié) HP 刷的構(gòu)象與結(jié)構(gòu). 通過(guò)考察 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用，我們發(fā)現(xiàn)，隨著偶極-偶極相互作用增強(qiáng)時(shí)，HP 刷在培基表面上沿著鏈方向形成了結(jié)節(jié)狀結(jié)構(gòu)，這是由于 HP 單體之間的偶極-偶極靜電吸引作用導(dǎo)致相近的單體間匯聚結(jié)節(jié). 由于 HP 的水合性隨水蒸氣濃度增加而增強(qiáng)，HP 鏈單體和水分子之間氫鍵的增加，將平衡 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用，使得結(jié)節(jié)解開(kāi). 形成結(jié)節(jié)狀結(jié)構(gòu)，在刷內(nèi)形成的單體結(jié)節(jié)，相對(duì)單個(gè)單體占據(jù)了刷內(nèi)的較大的空間，在刷內(nèi)產(chǎn)生了較強(qiáng)的排斥體積作用，這種具有結(jié)節(jié)狀結(jié)構(gòu)的 HP 刷具有抗污性能. HP 單體-單體偶極相互作用，不僅形成 HP 鏈內(nèi)單體間的結(jié)節(jié)，在較高的接枝密度環(huán)境下，還會(huì)形成鏈間單體-單體的結(jié)節(jié)，在刷內(nèi)形成結(jié)節(jié)狀的凝膠結(jié)構(gòu)，這會(huì)使得兩性離子聚合物刷呈現(xiàn)極強(qiáng)的抗污性. 實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，兩性離子聚合物刷具有非常好的抗污性能[11,12]. 之前的研究還發(fā)現(xiàn)[27]，兩性離子聚合物單體之間的偶極-偶極相互作用還可以導(dǎo)致刷內(nèi)出現(xiàn)“縷(Strand)”狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也會(huì)使得兩性離子聚合物刷呈現(xiàn)抗污性. 在本文中我們考察 P-W 氫鍵和 W-W 氫鍵效應(yīng)，以及 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用，發(fā)現(xiàn)了在 HP 刷內(nèi)出現(xiàn)的聚合物鏈內(nèi)單體間的結(jié)節(jié)和鏈間單體間結(jié)節(jié)狀的凝膠結(jié)構(gòu)，解釋了 HP 刷的抗污性機(jī)制，由此表明，P-W 氫鍵效應(yīng)，以及 HP 單體之間的偶極-偶極相互作用決定著 HP 的構(gòu)象轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)特性，刷內(nèi)出現(xiàn)的兩性離子聚合物鏈內(nèi)單體間的結(jié)節(jié)和鏈間單體結(jié)節(jié)狀凝膠結(jié)構(gòu)，是兩性離子聚合物刷呈現(xiàn)較強(qiáng)抗污性的本質(zhì)特性.