研究不同pH和温度环境中PNIPAm微凝胶的粒径和Zeta电位

PNIPAm，聚N-异丙基丙烯酰胺，是一种在医药、智能材料制造领域具有广泛的功能性温敏高分子材料，从上个世纪90年代开始引起科研人员的关注，具有大量文献报道。

本文使用BeNano 90 zeta 纳米粒度与Zeta电位分析仪表征了一个PNIPAm微凝胶的粒径和Zeta电位随pH及温度的变化。

结果与讨论

图1. PNIPAm微凝胶不同pH值条件下Zeta电位结果

图1为在25℃下，PNIPAm微凝胶的Zeta电位随pH的变化曲线。可以看出，在使用纯净水配置的母液环境中（pH=6时），Zeta电位为负值，说明此时微凝胶上净电荷为负电，且Zeta电位绝 对值最 高。采用HCl溶液调节样品pH值，随着pH逐渐降低，样品的Zeta电位绝 对值逐渐减小，向零趋近，当pH=1时，样品Zeta电位跨过等电点，由负电变为正电。这是因为在pH值逐渐降低的过程中，溶液中的H+浓度升高，H+的增加改变了样品表面的电离平衡，样品表面的负电荷逐渐被H+中和，因此带电量下降，进而导致了Zeta电位绝 对值下降。

通过向体系中添加NaOH，使体系中OH-含量增多，pH值逐渐增大，通常来说带负电的OH-会使得颗粒表面携带更多负电，使Zeta电位负值不断增加。然而观察到随着pH值的升高，Zeta电位绝 对值却逐渐减小，当pH=14时，Zeta电位趋近于0。这可能是因为当pH为6或7时，聚合物表面的基团电离比较充分，携带的负电荷已经达到饱和，即使OH-含量增多，颗粒表面也不能携带更多的负电荷，而NaOH浓度上升逐渐增加了体系中离子强度，离子强度越高，对于Zeta电位的屏蔽效果越来越强，导致了Zeta电位绝 对值的降低。

图2. 不同pH环境中PNIPAm水凝胶在不同温度下的粒径曲线

图2显示了pH=3，6和9环境中，样品的粒径随温度变化趋势。可以看到在三个pH环境中，样品的粒径随着温度升高逐渐降低，从25℃的700nm逐渐减小到50℃的约300nm。这种明显的随温度升高而收缩的现象是由于形成分子间氢键导致的。在降温过程中，氢键断裂，样品粒径逐渐增加。样品展现了可逆的粒径随温度的变化的趋势。三个pH环境中，在相同温度下粒径接近没有明显差别，说明该样品的粒径对于pH改变不是特别敏感。

图3. 不同pH环境中PNIPAm水凝胶在不同温度下的Zeta电位曲线

结论

在这个应用报告中，通过BeNano 90 Zeta仪器表征了一个PNIPAm微凝胶样品在不同pH值条件和不同温度下的粒径和Zeta电位信息。结果表明，样品的Zeta与环境pH相关。不同pH下，样品具有类似的粒径和pH温敏特点，即随着温度升高粒径降低，而Zeta电位逐渐升高。