Polielectrolitul este un polimer ale cărui molecule includ grupări capabile de ionizare în soluție. Polielectroliții sunt utilizați în inginerie ca coagulanți pentru tratarea apelor uzate , ca dispersanți pentru a reduce vâscozitatea sistemelor de dispersie pe bază de apă foarte concentrate ( suspensii și paste în producția de ceramică ). Eficacitatea polielectroliților în aceste aplicații se explică prin adsorbția poliionilor pe suprafața particulelor cu formarea unui strat dublu electric , reducând efectiv frecarea dintre particule. Polielectroliții includ cei mai importanți polimeri biologici ( biopolimeri ) - proteine , acizi nucleici . Ele joacă un rol important în reglarea vâscozității sângelui. Schimbătoarele de ioni sunt de mare importanță practică .
Polielectroliții sunt subdivizați în policationi (în timpul disocierii cărora macromolecula principală capătă o sarcină pozitivă), polianioni (sarcina moleculei de polimer ionizat este negativă) și poliamfoliți (macromolecula conține atât sarcini pozitive, cât și negative). În general, poliamfoliții sunt clasificați ca heteropolimeri .
Un ion desprins dintr-o macromoleculă în timpul disocierii se numește contraion sau contraion . Într-o soluție, o parte a contraionilor este de obicei concentrată în apropierea unei singure macromolecule a polielectrolitului, iar o parte, contraionii liberi, intră în soluția externă.
Rețelele polimerice într-un solvent formează geluri . Dacă gelul este compus dintr-un polielectrolit, disocierea localizează contraionii în gel, creând o presiune osmotică suplimentară , care face ca gelurile să se umfle , cu mult peste predicțiile teoriei lui Flory .
Lansarea deliberată a gelurilor polielectrolitice ca superabsorbanțidatează din jurul anilor 1960. Până în 1974, a fost dezvoltat copolimerul Super Slurper (un alt nume este H-SPAN: lanțuri laterale de poliacrilonitril grefate pe coloana vertebrală a amidonului , hidrolizate cu acid clorhidric diluat , reticulate într-o rețea polimerică), care se umflă ușor și puternic în apă. Posibilele aplicații ale superabsorbanților au fost evidente, iar în anii 1980 Super Slurper și alți polielectroliți au început să fie utilizați în agricultură pentru a reține umiditatea în sol și în produsele de igienă ( scutece de unică folosință , șervețele sanitare , pansamente). Recent, s-a obţinut un hidrogel macroporos tridimensional pe bază de polielectrolit, care poate fi utilizat ca sorbent de tip flux pentru îndepărtarea completă a metalelor grele la concentraţii scăzute de ioni în apă [1] .
Explicația proprietăților superabsorbante ale polielectroliților a venit mai târziu. Neobișnuită ca scară (uneori de sute de ori în volum) și ca claritate, tranziția de la o stare prăbușită la o stare super umflată a fost observată pentru prima dată în 1977 de către fizicianul experimental T. Tanaka în timp ce studia rețelele de poliacrilamidă într-o soluție dintr-un amestec de apă și acetonă. . Dându-și seama că poliacrilamida neutră este hidrolizată și gelul devine încărcat, Tanaka a dat și o explicație teoretică a efectului [2] . Ulterior, s-a dovedit că colapsul punctului de tranziție - starea de supraumflare poate fi reglat într-un interval destul de larg de mulți factori, în funcție de polielectrolitul specific: temperatura, pH -ul , concentrația de sare în soluție, adăugarea de agenți tensioactivi și alte substanțe etc. [ 3]
Lucrați la crearea de materiale polimerice de nouă generație[ ce? ] a început în URSS în anii șaptezeci. Motivul a fost nevoia de a crea solubile în apă, prietenoase cu mediul[ termen necunoscut ] polimeri. Complecșii polielectroliți se formează ca rezultat al reacției polielectroliților cu încărcare opusă (polianioni și policationi), macromoleculele sunt ținute împreună prin legături de sare.
În 1986, polielectroliții au început să fie folosiți pentru decontaminarea siturilor contaminate din zona Cernobîl [4] .
Când polielectroliții anionici slabi, precum acizii poliacrilici sau polimetacrilici (PAA și PMAA), interacționează cu polimerii neionici în soluții, este posibilă formarea de complecși interpolimeri (IPC) stabilizați prin legături de hidrogen [5] . De exemplu, formarea IPC este posibilă prin amestecarea soluțiilor apoase de PAA cu oxid de polietilenă , polivinilpirolidonă , poliacrilamidă și alți polimeri neionici. Aceste complexe, de regulă, se formează în soluții apoase cu un pH sub anumite valori critice, ale căror valori depind de natura polimerilor care interacționează, greutatea moleculară a acestora și concentrația în soluții. În soluții apoase, acești complecși sunt, de asemenea, stabilizați suplimentar prin interacțiuni hidrofobe.
Polielectroliții sunt utilizați ca adjuvant în unele vaccinuri. Pentru prima dată, în acest rol a fost folosit chitosanul polielectrolitic natural [6] , iar în prezent este inclus în mai multe vaccinuri [7] [8] .
Chimiștii și medicii ruși conduși de academicieni ai Academiei Ruse de Științe ( AN URSS ) R. V. Petrov , V. A. Kabanov și academicianul Academiei Ruse de Științe Medicale R. M. Khaitov au creat primul vaccin rusesc bazat pe polielectroliți. Pentru descoperirea principiului creării unor astfel de vaccinuri, li s-a acordat Premiul de Stat al Federației Ruse pentru 2001 . Potrivit unuia dintre cei mai mari imunologi M. Sela de la Institutul Weizmann (Israel), această lucrare a fost primul exemplu de utilizare cu succes a polimerilor sintetici pentru tratamentul bolilor [4] .
În general, policationii sunt de obicei mult mai toxici decât polimerii neutri și polianionii, astfel încât exemplele de utilizare a policationilor (cum ar fi chitosanul și polioxidoniul) în medicină sunt rare [9] .