聚电解质

聚电解质是其重复单元带有电解质基团的聚合物。聚阳离子和聚阴离子是聚电解质。这些基团在水溶液（水）中解离，使聚合物带电。因此，聚电解质的性质类似于电解质（盐）和聚合物（高分子量化合物），有时也称为聚盐。像盐一样，它们的溶液是导电的。像聚合物一样，它们的溶液通常是粘稠的.带电分子链通常存在于软物质系统中，在决定各种分子组装的结构、稳定性和相互作用方面发挥着重要作用。描述其统计特性的理论方法与其电中性对应物的理论方法大不相同，而技术和工业领域则利用了它们的独特特性。许多生物分子是聚电解质。例如，多肽、糖胺聚糖和DNA是聚电解质。天然和合成聚电解质都用于各种行业。

酸分为弱酸或强酸（而碱同样可以分为弱酸或强酸）。同样，聚电解质可分为“弱”和“强”两种类型。“强”聚电解质是一种在溶液中完全离解的最合理的pH值。相比之下，“弱”聚电解质的解离常数（pKa或pKb）在~2到~10的范围内，这意味着它会在中等pH值下部分解离。因此，弱聚电解质在溶液中没有完全带电，而且它们的分数电荷可以通过改变溶液的pH值、反离子浓度或离子强度来改变。

聚电解质溶液的物理性质通常受这种充电程度的强烈影响。由于聚电解质解离释放反离子，这必然会影响溶液的离子强度，从而影响德拜长度。这反过来又会影响其他属性，例如导电性。

当两种带相反电荷的聚合物溶液（即聚阳离子溶液和聚阴离子溶液之一）混合时，通常会形成本体复合物（沉淀物）。这是因为带相反电荷的聚合物相互吸引并结合在一起。

任何聚合物的构象都受到许多因素的影响：特别是聚合物结构和溶剂亲和力。在聚电解质的情况下，电荷也有影响。而不带电荷的线性聚合物链通常在溶液中以随机构象（非常接近自回避的三维随机游走）中发现，而线性聚电解质链上的电荷将通过双层力相互排斥，从而导致链采用更膨胀的刚性杆状构造。如果溶液中含有大量添加的盐，电荷将被屏蔽，因此聚电解质链将坍塌为更常规的构象（基本上与良好溶剂中的中性链相同）。

聚合物构象当然会影响许多整体特性（例如粘度、浊度等）。尽管可以使用传统聚合物理论的变体来捕获聚电解质的统计构象，但由于静电相互作用的长程性质，正确模拟聚电解质链通常需要大量计算。静态光散射等技术可用于研究聚电解质构象和构象变化。

带有阳离子和阴离子重复基团的聚电解质称为聚两性电解质。这些组的酸碱平衡之间的竞争导致了他们身体行为的额外并发症。这些聚合物通常只有在添加足够的盐时才会溶解，这会屏蔽带相反电荷的链段之间的相互作用。在两性大孔水凝胶的情况下，由于大分子的共价交联，浓盐溶液的作用不会导致聚两性电解质材料的溶解。合成的3-D大孔水凝胶显示出从极稀的水溶液中吸附大范围pH值中重金属离子的优异能力，以后可用作净化咸水的吸附剂所有蛋白质都是聚两性电解质，因为一些氨基酸往往呈酸性，而另一些则呈碱性。

IUPAC定义

两性聚合物：由含有阳离子和阴离子基团或相应的可电离基团的大分子组成的聚电解质。注意：

• 根据侧基的结构，将符号相反的离子基团并入相同侧基的两性聚合物称为两性离子聚合物、聚合内盐或聚甜菜碱。

聚电解质有许多应用，主要与改变水溶液和凝胶的流动性和稳定性有关。例如，它们可用于破坏胶体悬浮液的稳定性并引发絮凝（沉淀）。它们还可用于赋予中性粒子表面电荷，使它们能够分散在水溶液中。因此它们经常被用来作为增稠剂，乳化剂，调理，澄清剂，甚至阻力减速。它们用于水处理和石油回收。许多肥皂、洗发水和化妆品都含有聚电解质。此外，它们被添加到许多食物和混凝土混合物中（超塑化剂）。出现在食品标签上的一些聚电解质是果胶、角叉菜胶、藻酸盐和羧甲基纤维素。除最后一种外，其余均为天然来源。最后，它们用于各种材料，包括水泥。

因为它们中的一些是水溶性的，它们也被研究用于生化和医学应用。目前有很多关于将生物相容性聚电解质用于植入物涂层、控制药物释放和其他应用的研究。因此，最近，描述了由聚电解质复合物组成的生物相容性和可生物降解的大孔材料，该材料表现出优异的哺乳动物细胞增殖和肌肉样软致动器。

聚电解质已用于形成称为聚电解质多层膜(PEM)的新型材料。这些薄膜是使用逐层(LbL)沉积技术构建的。在LbL沉积期间，合适的生长基底（通常带电）在带正电和带负电的聚电解质溶液的稀释浴之间来回浸渍。在每次浸渍过程中，少量聚电解质被吸附，表面电荷反转，允许静电交联的逐渐和受控的积累聚阳离子-聚阴离子层薄膜。科学家们已经证明了这种薄膜的厚度控制可以达到单纳米级。LbL薄膜也可以通过用带电物质（如纳米颗粒或粘土片）代替或补充其中一种聚电解质来构建。LbL沉积也已使用氢键代替静电来完成。有关多层创建的更多信息，请参阅聚电解质吸附。

PEM涂层的主要优点是能够一致地涂覆物体（即该技术不限于涂覆平面物体）、使用水基工艺的环境效益、合理的成本以及利用特定化学性质薄膜进行进一步修饰，例如合成金属或半导体纳米粒子，或孔隙度相变以创建抗反射涂层、光闸和超疏水涂层。

如果将聚电解质链添加到带电大离子系统（即DNA分子阵列）中，可能会发生一种有趣的现象，称为聚电解质桥接。术语桥接相互作用通常适用于单个聚电解质链可以吸附到两个（或多个）带相反电荷的大分子（例如DNA分子）从而建立分子桥并通过其连接性介导它们之间的吸引力相互作用的情况。

在小的宏观离子分离时，链被挤压在宏观离子之间，系统中的静电效应完全由空间效应主导——系统被有效地放电。当我们增加宏观离子分离时，我们同时拉伸吸附在它们上的聚电解质链。由于链的橡胶弹性，链的拉伸引起上述吸引力相互作用。

由于其连通性，聚电解质链的行为与受限未连接离子的情况几乎没有相似之处。