樹脂プラスチック材料協会

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用語集

高分子電解質(Polyelectrolyte)とは

高分子電解質の一般特性

高分子電解質は、繰り返し単位に解離基を持つポリマーです。それらは、ポリカチオンポリアニオンポリ塩に分けることができます 。通常の電解質(酸、塩基、塩)と同様に、それらは水溶液(水)で解離し、pH値に応じて1つ以上の電荷を帯びます。したがって、高分子電解質の特性は、電解質とポリマーの両方に似ています。塩、すなわち単量体塩基とのポリ酸(ポリアニオン)の生成物、およびその逆は、ポリ塩と呼ばれます。通常の塩と同様に、それらの溶液は導電性であり、ポリマーと同様に、その粘度は分子量とポリマー濃度に強く依存します。

最も一般的な3つのアニオン基は、カルボキシレート(-COO -である– 、ホスホネート(-PO)3 H 、-PO 2-)およびスルホネート(-SO – )であり、最も一般的なカチオン性基は、第一、第二及び第四級アンモニウムであります(–NH +、= NH +および≡N +)。イオン基の種類、その対イオン、および繰り返し単位の構造により、水やその他の極性および水素結合液体(アルコールなど)への溶解度、導電率、溶液粘度などの高分子電解質の特性が決まります。非イオン性ポリマーとは異なり、これらの特性はpHと塩分に強く依存します。 

高分子電解質は、少量の適切な架橋剤を組み込むことにより化学的に架橋できます。これらの高分子電解質は、水に溶解するのではなく水で膨潤する三次元構造を形成します。それらは、水分子との水素結合により、自身の質量に比べて(非常に)大量の液体を保持できます。それらはヒドロゲルまたは超吸収性ポリマーと呼ばれます (SAP)の場合(わずかに)クロスリンク。水を吸収する能力は、水溶液のイオン濃度の要因です。脱イオン水と蒸留水では、SAPは自重の最大500倍、体積の30〜60倍の水を吸収する場合があります。つまり、ヒドロゲルは99%を超える液体で構成されます。SAPの総吸収性と膨潤能力は、構造内の架橋の種類と量によって制御されます。

天然および合成高分子電解質の両方が大規模に製造されています。一般的な天然高分子電解質は、ペクチン(ポリガラクツロン酸)、アルギン酸塩(アルギン酸)、カルボキシメチルセルロース、およびポリペプチドです。一般的な合成高分子電解質の例は、ポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルアミン、カルボキシメチルセルロースおよびそれらの塩です。これらの高分子電解質の一部を以下に記載します。

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いくつかの他の高分子電解質は、荷電側基とは対照的に、主鎖に荷電基を含んでいます。このクラスの高分子電解質は、一般にポリイオネンとして知られています。バックボーンで最も一般的な荷電基は、第四級アンモニウムです。これらのイオン性ポリアミンは通常、ジターシャリーアミンとアルキルジハライドのメンシュトキン反応により合成されます。

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比較的安価な出発原料と比較的簡単な合成経路から多数の明確なポリイオネンを合成できる多数のジハライドとジターシャリーアミンが市販されています。ポリマー骨格のイオン間隔、つまり電荷密度と分子量の両方を簡単に調整できます。さらに、他の多くの官能基を簡単に組み込むことができ、物理的および機械的特性を架橋および調整することができます。

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高分子電解質の物理化学的性質

溶液中の高分子電解質の特性は、鎖中の荷電基と溶液中の低分子量イオンとの静電的相互作用によって決まります。高分子電解質の電荷によって生成される強力な静電界は、分子の構造に大きな影響を及ぼします。つまり、高分子の立体構造を大幅に変化させます。解離度が増加すると、鎖の有効サイズ(端から端までの距離、流体力学的半径など)が増加し、コイル状分子がまっすぐに伸びて、高分子電解質の解離度が高くなるとほぼ線形の棒状の形状に達します。 
解離の程度が変化すると、物理化学的特性はかなり変化します。たとえば、溶液の粘度は、溶液中の高分子電解質濃度、その解離度、および遊離イオン(塩)濃度(溶液中の低分子量イオン)に応じて100倍以上増加します。

低分子電解質の溶液用に開発された理論は、高分子電解質溶液には当てはまりません。高分子電解質の極性基の解離中に現れる低分子量イオンは、ポリマーの反対に帯電した表面の周りに拡散対イオン雲を作成します。その組成(溶媒和)とサイズは、高分子電解質ゲルの膨潤能力と粘弾性応答と同様に、溶液中の高分子電解質の構造と動力学に影響します。

ソフトマター系に一般的に存在する荷電分子鎖は、さまざまな(生物学的)分子集合体の構造、安定性、相互作用に顕著な影響を及ぼします。それらの統計的性質を記述する理論的アプローチは、電気的に中立な対応物とは大きく異なります。多くの生体分子は高分子電解質です。例えば、ポリペプチドとDNAは高分子電解質です。

市販の高分子電解質

市販グレードの高分子電解質(PAA)は、Dow Chemical(Duramax、Tamol™、Romax™、Dowex)、Rohm and Haas(Acusol™、Acumer™、BASF(Dispex®、Magnafloc®)、およびArkema(Rheoslove™、Terrablend)が存在します。

高分子電解質の用途例

高分子電解質には多くの用途があり、主に流れの修正、水性コロイドおよびゲルの安定性の改善、または凝集の誘発に関連しています。例えば、コロイド懸濁液を不安定化し、凝集と沈殿を開始するために使用できます。それらはまた、中性粒子に表面電荷を与えるために使用でき、それらを水溶液に分散させることができます。したがって、それらは増粘剤、 分散 コンディショナー乳化剤イオン交換 、透明化剤としてしばしば使用され ます。たとえば、水処理で凝集剤として、セラミックスラリーで安定剤として、コンクリート混合物で流動化剤として使用されます。さらに、多くのシャンプー、石鹸、化粧品には高分子電解質が含まれています。特定の高分子電解質も食品に添加されます。たとえば、食品コーティングおよび離型剤として。例は、ペクチン(ポリガラクツロン酸)、アルギン酸塩(アルギン酸)、およびカルボキシメチルセルロースです。最後を除くすべては自然起源のものです。

高分子電解質は水溶性であるため、インプラントコーティングや薬物放出制御システムなどの生化学および医療用途にも使用されます。 

ヒドロゲルと呼ばれるわずかに架橋したポリアクリル酸ナトリウム-ポリアクリルアミドコポリマーが大量に超吸収剤(SAP)として使用されます。SAPの最大の用途は、乳児用おむつや、成人用保護下着や生理用ナプキンなど、その他の個人用の使い捨て衛生製品です。世界の超吸収性ポリマー市場は、2014年から2019年にかけて5.5%の割合で成長し、85億6,000万ドルの価値に達すると予想されています。

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