（皮革化学与工程专业论文）胶原蛋白分子构象稳定性研究.pdf

摘要 三价铬离子( c r ( 1 l i ) ) 与胶原配位主要发生在天门氨酸和谷氨酸侧链 离子化羧基位置。本文从分子水平上深入系统的探讨了c r ( ) ，胶原相互作 用的交联过程，以及影响交联过程的诸多因素。以上研究对于蛋白质与金 属离子交联过程的本质认识有着重要的理论和实际意义。 胶原蛋白的分子量分布、羧基含量、等电点和温度是影响c r ( i i i ) 胶原 性能和应用的几个重要参数，采用s d s p a g e 测定了1 0 种不同胶原蛋白 的分子量分布，得出实验用酸溶胶原和碱溶胶原的a 、1 8 组分分布集中； 采用d s c 测定了碱溶胶原和酸溶胶原蛋白分子发生构象转变的临界温度； 采用粘度法测定了碱溶胶原蛋白的等电点，研究了中性电解质在减弱p h 对粘度影响中的作用：采用电导滴定法铡出了胶原羧基的含量。 在极低浓度下，对胶原蛋白大分子构象的浓度依赖性规律研究表明， 粘度法与动态光散射法的结果具有很好的一致性，确认了动态接触浓度 ( c ，) 的存在。采用粘度法研究了p h 值、n a c l 浓度和温度对c ，的影响： 在碱溶胶原等电点两边，随p h 值增加，岛先减小后增加；随温度和n a c l 浓度增加，c ，增加。 影响c r ( l i ) 胶原交联过程的因素很多：c r ( m ) 浓度、胶原浓度、p h 值、n a c l 浓度、反应温度等，采用粘度法、动态光散射法对其进行研究。 研究结果表明：当固定胶原浓度为0 2 1 1 9 l ( 羧基含量1 3 2 肛m ) ， c r ( i l i ) 浓度满足【c r ( 1 1 1 ) c o o i - i 摩尔比值低于7 1 ，c r ( i i i ) 胶原体系主 要以分子内交联为主；c r ( i i i ) 浓度满足【c r ( m ) c o o i t l 摩尔比值大于 7 1 ，体系主要以分子问交联为主；当【c r ( i i i ) c o o h 摩尔比值增大 到1 2 6 5 时，形成的交联体系不稳定。当固定c a m ) 浓度为5 7 4 ，胶 原浓度满足 c r ( i h ) i c o o h 摩尔比值高于8 4 4 ，形成的体系不稳定； 胶原浓度满足 c r ( m ) l c o o h 摩尔比值小于5 7 4 ，形成的c r ( 1 1 1 ) 胶原 体系以分子间交联为主；随着【c r ( 1 1 1 ) c o o h 摩尔比值的进一步减 小，发生分子内交联的速度减慢，当胶原浓度介于两者之间时，体系 以分子内交联为主。 p h 值对交联体系的影响较复杂：在碱溶胶原等电点以上，p h 值影响 分子内的交联；在碱溶胶原等电点以下，p h 值对交联体系的影响体现为 强电解质的作用。n a c l 浓度影响体系的分子内交联，而反应温度则主要 影响分子间交联。 关键词：胶原蛋白分子构象交联过程动态接触浓度 a b s t r a c t t h ec o o r d i n a t i o nc r o s sb e t w e e nt r i v a l e n tc h r o m i u ma n dc o l l a g e ni s m a i n l y i nt h es i d ec h a i ni o n i z e dc a r b o x yp o s i t i o no fa s pa n dg l u t h e i n t e r a c t i n gc r o s sl i n k i n gc o u r s eo ft r i v a l e n tc h r o m i u mw i t hc o l l a g e na n dt h e e f f e c to fc o r r e s p o n d i n gf a c t o r sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h em o l e c u l a r l e v e l i ti ss i g n i f i c a n tf o rt h ec o g n i t i o na b o u tt h ep r i n c i p l eo fc r o s sl i n k i n g c o u r s eb e t w e e np r o t e i na n dm e t a li o n s e v e r a li m p o r t a n tp a r a m e t e r sh a v i n ge f f e c to nt h ec r ( f f l ) c o l l a g e nc r o s s l i n k i n gp e r f o r m a n c e sa n da p p h c a f i o n sa r et h em o l e c u l a r w e i g h td i s t r i b u t i o n o fc o l l a g e n ，t h ec o n t e n t so fc a r b o x y l ，t h ei s o e l e c t r i cp o i n ta n dt h em e l t i n g p o i n t t h em o l e c u l a r w e i g h t d i s t r i b u t i o no ft e nk i n d so f c o l l a g e n s a r e m e a s u r e du s i n gs d s p a g ea n dt h eqa n dbc o m p o n e n td i s t r i b u t i o no ft h e a c i d i cc o l l a g e na n da l k a l ic o l l a g e nr e f e r e n c e sa r eo b t a i n e d t h em e l t i n gp o i n t s o ft w or e f e r e n c e sa r em e a s u r e du s i n gd s c t h ei s o e l e c t r i cp o i n to fa l k a l i c o l l a g e ni sd e t e r m i n e du s i n gv i s c o m e t r y t h en e u t r a le l e c t r o l y t ec a l lr u d u c e t h ee f f e c to fp ho nc o l l a g e n sv i s c o s i t y t h e c a r b o x y li st h ei m p o r t a n t f u n c t i o n g r o u pi nt h e 0 0 1 1 1 8 0o fc o o r d i n a t ec r o s sl i n k a g e i t sc o n t e n ti s m e a s u r e du s i n gc o n d u c t o m e t r y t h ed y n a m i cc o n t a c tc o n c e n t r a t i o no fd i l u t ec o l l a g e ns o l u t i o n ，w h i c hi s j u s tt h ec r i t i c a lc o n c e n t r a t i o no fc o n f o r m a t i o n a lc h a n g eo fc o l l a g e n ，i s d e t e r m i n e db yv i s c o m e t r ya n dd y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g t h e nt h ee f f e c to ft h e p h ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs o d i u mc h l o r i d es o l u t i o na n dt e m p e r a t u r eo nt h e d y n a m i cc o n t a c tc o n c e n t r a t i o ni ss t u d i e du s i n gv i s c o m e t r y w i t ht h ei n c r e a s e o fp hi nt h e n e i g h b o r h o o d o fi s o e l e c t r i c p o i n t ，t h ed y n a m i cc o n t a c t c o n c e n t r a t i o nf i r s t l yd e c r e a s e sa n dt h e ni n c r e a s e s t h ed y n a m i cc o n t a c t c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n g o f t e m p e r a t u r ea n d t h e c o n c e n t r a t i o no fs o d i u mc h l o r i d es o l u t i o n t h ee f f e c to ft h ef a c t o r ss u c ha st h e p h ，t h et e m p e r a t u r e ，t h e c o n c e n t r a t i o n so ft h et r i v a l e n tc h r o m i u m ，c o l h g e na n ds o d i u mc h l o r i d eo nt h e c r o s sl i n k a g ec o u r s e 王ss t u d i e d t h er e s u l t sa r ef o l l o w i n g w h e nt h ec o l l a g e n c o n c e n t r a t i o ni s0 2 1 1 9 l ( t h ec o n t e n to fc a r b o x y li s 1 3 2j t m ) a n dt h em o l r a t i oo f 【c r ( i i i ) 】t o c o o h 】i sl e s st h a n7 1 ，t h ec r o s sl i n k i n gs y s t e mi sm o s t i n t r a m o l e c u l a rr e a c t i o n w h e nt h em o lr a t es u r p a s s e s7 1 。t h e s y s t e mi s m a i n l yi n t e r m o l e c u l a rl i n k a g e w h e nt h em o lr a t ee x c e e d s1 2 6 5 ，t h ec r o s s l i n k i n gs y s t e mi su n s t a b l e w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft r i v a l e n tc h r o m i u mi sc e r t a i nt o5 7 4 脚a n d t h em o lr a t i oo f 【c r ( 1 i i ) 】t o ( c o o h 】s u r p a s s e s8 4 4 ，t h ec r o s sl i n k i n gs y s t e m i sa l m o s ti n t r a - m o l e c u l a rr e a t i o na n dt h es y s t e mb e c o m e su n s t a b l e 。w h e nt h e r a t i oi sl e s st h a n5 7 4 ，t h es y s t e mi s m a i n l yi n t e r m o l e c u l a rl i n k a g ea n dt h e c r o s sl i n k i n gs p e e db e c o m e ss l o w e rw i t ht h ed e c r e a s i n go ft k er a t i o w h e nt h e r a t i oi sb e t w e e n8 4 4a n d5 7 4 ，t h ei n t r a m o l e c u l a rl i n k a g ei sp r o m i n e n t t h ee f f e c to fp ho nc r o s sl i n k i n gs y s t e mi s r e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d a b o v et h ei s o e l e c t r i cp o i n t ，i ti n f l u e n c e st h ei n t r a - m o l e c u l a rr e a c t i o nm o s t l y b e l o wt h ei s o e l e c t r i cp o i n t ，t h er e d u c t i o no ft h ev i s c o s i t yn u m b e ri sn o tt h e i n t r a m o l e c u l a rl i n k a g e ，b u td u et ot h ea d d i t i o no ft h ee l e c t r o l y t e s o d i u m c h l o r i d es o l u t i o n m a i n l y a f f e c t st h ei n t m m o l e c u l a r l i n k a g e b u tt h e t e m p e r a t u r ea f f e c t si n t e r - m o l e c u l a rl i n k a g em o s t l y k e yw o r d s ：c o l l a g e nm o l e c u l a r c o n f o r m a t i o n c r o s sl i n k i n gc o n r s e d y n a m i cc o n t a c tc o n c e n t r a t i o n h i 学位论文独创性声朋 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意 义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的 论文或成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻 工业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及 申请专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或 成果时，署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：盔垒毖、 导师签名： 日期：盈丛年月l 日 ， 日期： 年月日 山东轻工业学院硕士学位论文 第一章绪论 胶原的研究包括制革科学和生物科学等领域的基础研究和工业领域 的应用研究。制革工业中，动物生皮蛋白质是制革的基本原料，而皮胶原 占生皮蛋白质的8 0 一8 5 t 1 1 。生皮发生质变转变成革的关键工段是鞣制， 在铬鞣过程中，胶原与三价铬盐发生交联，形成强而牢固的化学键，从而 鞣制出优越性能的皮革。然而三价铭配合物与皮胶原交联反应的机理存有 相当多悬而未决的问题，因此传统的鞣制只能说是工艺，而不能称之为科 学2 1 ，所以胶原化学基础研究尤为迫切。随着新的分析方法和测试手段的 应用，为更好地理解鞣制过程胶原活性基与铬配合物的作用机制和胶原结 构与功能之闯的关系提供了可能。 1 1 胶原鬣自分子结构 胶原蛋白是由其母体胶原衍生而来，迄今，人们已发现了2 0 余种不 同类型的胶原，至少有1 2 种胶原得到证实【3 】。它们都显示出或长或短的 三股螺旋结构，i 型胶原是生皮中最丰富和应用研究中最感兴趣的胶原， 其单体是原胶原。原胶原分子为细长三股螺旋链，电镜下测量直径约为 1 5 a ，长约3 0 0 0 a ，呈棒状结构。由三条螺旋肽链组成的胶原分子，其中 两条n ( i ) 链，一条n ( i i ) 链。每条链都含有1 0 5 2 个氨基酸残基。a ( i ) 链和n ( i i ) 链只是在氨基酸顺序上有微小差异，这已经通过试验测定，这 三条胶原特有的左旋d 链相互缠绕构成胶原的右手复合螺旋。胶原分子多 肽链的基本顺序是g l y x y 周期结构，其中甘氨酸( g l y ) 占3 0 ，脯氨酸 ( p r o ) 和羟脯氨酸( h y p ) 共占约2 5 【1 】。胶原螺旋中g l y - p r o x 占全数 g l y 。x y 三肽总和的三分之一。正是由于脯氨酸毗咯环的存在，使得胶原 多肽链只能形成左手螺旋。因此这种有规律的周期结构对胶原肽链的构象 形成和稳定性极为重要。 胶原蛋白是胶原的无定形物，被称为皮胶原的“模拟物”【4 】。由1 8 种氨基酸组成，具有一般蛋白质的典型结构，其化学组成与胶原是一致的， 只在溶解性上有一定的差异，它们都是一类天然高分子。 1 2 胶原蛋白分子结构穗定的影响因素 氢键对胶原构象的稳定起重要作用，研究表明在g l y x y 三肽中，以 g l y p r o - h y p 对三股螺旋稳定性的贡献最大，这是因为羟脯氨酸参与了链 间氢键的形成。g u s t a v s o n 嘲提出胶原纤维在4 0 6 5 范围的湿热稳定性 是依赖于羟脯氨酸上羟基与相邻肽链上羟基之间的氢键来维持。除了链间 氢键，分子内和分子间的共价交联是赋予胶原高度化学和物理稳定的又 第一章绪论 重要因素，已知的交联方式有三种：酰胺缩合、羟醛缩合、羟醛组氨酸交 联。它们都与赖氨酸、羟赖氨酸侧链的e - 氨基有关。 胶原分子的交联无论是分子内的还是分子间的，其关键的作用在于对 蛋白质结构的稳定：化学处理可以改变胶原基质的结构稳定性，工业上通 常采用的一种方法就是引入额外的交联。鞣制是一种重要的稳定方式，其 影响之一就是胶原湿热稳定性的增加。金属盐能显著提高胶原的构象稳定 性，作用机理被认为是金属离子与胶原分子活性基团发生了配位【6 】，在已 知有稳定作用的金属盐中，铬盐的效果最明显，其与胶原的主要反应发生 在天门氨酸( a s p ) 和谷氨酸( g l u ) 侧链离子化的羧基位置，a s p 和g l u 侧链 羧基p k a 值分别是3 8 和4 2 ，其作用形式f 7 】如下图l - 1 所示。 卜卿裟# 1 h g l u t a m i ca c i d a s p a r t i ca c i d1 “ ；i 图1 1 铬与胶原羧基的反应 1 3 铬盐鞣制机理的研究现状 1 9 2 4 年g u s t a v s o n s l 首次提出铬盐与胶原相互作用的鞣制机理是胶原 羧基与铬配合物形成配位键，在胶原纤维链之间发生反应。在此之后， b o w e s 9 1 和o u s t a v s o n 5 将胶原羧基甲基化处理后再铬鞣，证明羧基的甲基 化导致了铬结合量的明显下降和湿热稳定性的降低，离子化羧基的增多则 导致铬结合量的增多和革收缩温度的提高，进一步验证了上述理论。已经 阐明：胶原或革在湿热条件( 如水中) 下的收缩是由于胶原或革中的氢键被 破坏所致【l0 1 。c o v i n g t o n 认为【3 l 这可能与鞣制过程形成的合作单元的大小 有关；合作单元越大( 包含的氨基酸残基数越多) ，动力学过程越慢，收缩 温度越高，而合作单元的大小又取决于鞣剂与胶原间相互作用的过程【1 1 i 。 s y k e s t 他】通过羧基酯化和氨基酰胺化反应选择性地使胶原羧基和氨基失活 的实验，指出湿热稳定性是受c r ( i i i ) 与羧基之间反应控制的，尽管除去这 些活性位置并不能使铬的固定为零。这与c o v i n g t o n t 3 】阐述的湿热稳定性 受控于铬与胶原羧基之间的交联是一致的。 c r ( i i i ) 与羧基的结合【1 3 】能以两种方式进行：( 1 ) 铬离子与一个羧基共价 交联反应，即单点固定；( 2 ) 一个铬离子与至少两个羧基交联，即多点固定。 普遍认为，真正起到鞣制作用并对胶原稳定性贡献最大的是多点结合，而 单点结合只是增加了铬的结合量。 2 山东轻工业学院硕士学位论文 事实上，1 9 5 3 年g u s t a v s o n 5 】通过实验已经证明，结合的铬只有1 0 是起交联作用( 即多点固定) 。c o v i n g t o n 口】以此为依据，粗略计算了与铬 交联反应的酸性氨基酸残基数，他以铬鞣革中含有2 5 c r ( 干革重) 和铬配 合物至少是双核计算，则2 5 c r = 0 5 克原子k g = 0 2 5 m 0 1 分子k g ，又以 1 k g 干胶原含有1 m o l 羧基计算，则只有1 4 的羧基与铬分子反应，其中 只有1 4 0 的羧基与铬交联。已经知道，i 型胶原每条链有1 0 5 2 个氨基酸 残基，其中含有4 4 a s p 残基和7 2 g l u 残基，所以亦即每条链含有1 0 5 2 ( 4 4 + 7 2 ) = 1 2 0 个酸性氨基酸残基，等价于每个三股螺旋有3 6 0 个羧基。 因此，原胶原分子每根三股螺旋交联反应的羧基数为9 。 随着计算机辅助胶原模型的建立，对鞣制机理的研究更进一步，c i a e n 等 1 4 , 1 5 运用计算机模拟牛皮i 型胶原三股螺旋和微纤维的三维结构，讨论 了多肽分子内与分子间的相互作用、胶原中与配体反应的重要活性点，验 证c r ( i i i ) 在修饰胶原结构和与天然胶原交联中的作用机制。b r o w n 1 6 1 使用 i 型胶原微纤维片段研究了改性胶原与c r ( 1 1 1 ) 反应的可能结合位置，实验 模拟赖氨酸残基还原烷基化和脱氨基作用可能对c r ( 1 1 1 ) 与胶原结合点立 体化学性质的影响，研究认为：胶原结构中的g i u 、p r o 、h y p 残基的相互 作用、非离子化侧链的相互作用和胶原介质都会影响c r ( i i ) 的结合，并推 测了离子化侧链与铬形成稳定交联的可能位置。 1 4 高分子溶液的分区及临界浓度 高聚物以分子状态分散在溶剂中所形成的均相混合物称为高分子溶 液，其性质随浓度的不同有很大的变化【17 1 。为了研究的方便，人们常将高 分子溶液划分为稀、亚浓和浓三个区 1 8 , 1 9 ，也有人将其细分为极稀、稀、 亚浓、浓和极浓五个区【2 0 1 。但是这种分界并不是绝对的，因为溶液的浓度 和性质都是连续变化的，有时很难就其所在区域加以界定。关于各区之间 的临界( 分界) 浓度更是众说纷纭，大致可以归纳如图1 - 1 所示： c t 为临界交叠浓度，又称为接触浓度，是g e n n e s t 2 1 提出的稀和亚浓 溶液的界限。在稀溶液中，高分子线团是相互分离的，溶液中的链段分布 不均一；当浓度增大到某种程度后，高分子线团相互穿插交叠，整个溶液 中的链段分布趋于均一，这种溶液称为亚浓溶液；在这两种溶液之间，若 溶液浓度从稀向浓逐渐增大，孤立的高分子线团则逐渐靠近，靠近到开始 成为线团密堆积时的浓度，即为临界交叠浓度。不同的研究者，给出了c ， 的不同数学定义式，如m n ar 9 3 2 ”、3 m 4 n n a 船31 2 2 1 、m n a ( 2 r g ) 3 【2 3 】 及0 7 7 r ”1 等。 3 山东轻工业学防颤士学位论文 事实上，1 9 5 3 年g u s t a v s o n r 5 1 通过实验已经证明，结合的铬只有1 0 是起交联作用( 即多点固定) 。c o v i n g t o n e 3 1 以此为依据，粗略计算了与铬 交联反应的酸性氨基酸残基数，他以铬鞣革中含有2 5 c r ( 干革重) 和铬配 合物至少是双核计算，则2 5 c r = 0 5 克原子k g = 0 2 5 m 0 1 分子g g ，又以 1 k g 干胶原含有1 m o l 羧基计算，则只有1 4 的羧基与铬分子反应，其中 只有1 4 0 的羧基与铬交联。已经知道，i 型胶原每条链有1 0 5 2 个氨基酸 残基，其中含有4 4 a s p 残基和7 2 g l u 残基，所以亦即每条链含有1 0 5 2 ( 4 4 + 7 2 ) = 1 2 0 个酸性氨基酸残基，等价于每个三股螺旋有3 6 0 个羧基。 因此，原胶原分子每根三股螺旋交联反应的羧基数为9 。 随着计算机辅助胶原模型的建立，对鞣制机理的研究更进一步，c h e n 等 1 4 , 5 1 运用计算机模拟牛皮i 型胶原三股螺旋和微纤维的三维结构，讨论 了多肽分子内与分子间的相互作用、胶原中与配体反应的重要活性点，验 证c r ( 1 i ) 在修饰胶原结构和与天然胶原交联中的作用机制。b r o w n t ”1 使用 i 型胶原微纤维片段研究了改性胶原与c r ( m ) 反应的可能结合位置，实验 模拟赖氨酸残基还原烷基化和脱氨基作用可能对c r ( i t ) 与胶原结合点立 体化学性质的影响，研究认为：胶原结构中的g l u 、p r o 、h ”残基的相互 作用、非离子化侧链的相互作用和胶原介质都会影响c r ( i i i ) 的结合，并推 测了离子化侧链与铬形成稳定交联的可能位置。 1 4 商分子溶液的分区及临界浓度 高聚物以分子状态分散在溶剂中所形成的均相混合物称为高分子溶 液，其性质随浓度的不同有很大的变化【1 ”。为了研究的方便，人们常将高 分子溶液划分为稀、亚浓和浓三个区【”，i ”。也有人将其细分为极稀、稀、 亚浓、浓和极浓五个区1 2 。但是这种分界并不是绝对的，因为溶液的浓度 和性质都是连续变化的，有时很难就其所在区域加以界定。关于各区之间 的临界( 分界) 浓度更是众说纷纭，大致可以归纳如图1 - 1 所示： c + 为临界交叠浓度，又称为接触浓度，是g e n n e s 2 ”提出的稀和亚浓 溶液的界限。在稀溶液中，高分子线团是相互分离的，溶液中的链段分布 不均一；当浓度增大到某种程度后，高分子线团相互穿插交叠，整个溶液 中的链段分布趋于均一，这种溶液称为亚浓溶液；在这两种溶液之间，若 溶液浓度从稀向浓逐渐增大，孤立的高分子线团则逐渐靠近，靠近到开始 成为线团密堆积时的浓度，即为临界交叠浓度。不同的研究者，给m 了c * 的不同数学定义式，如m n a 如3 、3 m 4 r t , n a r 9 31 2 2 】、m n a ( 2 r g ) 3 2 3 1 的不同数学定义式，如m n a 船3 【2 l 】、3 m 4 r n a r 9 31 2 2 】、3 , 1 n a ( 2 r g ) 3 2 3 1 及0 7 7 1 1 r t 2 4 i 等。 2 第一章绪论 高分子极稀溶液于稀溶液亚浓溶液f 浓溶液三极浓溶液 c c - c 图1 1 高分子溶液的分区及各种临界浓度示意图 c ，为动卷接触浓度，是钱人元于2 0 世纪8 0 年代初提出的概念【2 5 1 ，初 始时作为稀溶液与亚浓溶液的界限，后来【2 将其视为极稀与稀溶液的分界 浓度。c 。为高分子线团开始感觉到临近有其他线团的存在而收缩的浓度， 标志着高分子线团间相互作用的出现。钱人元指出，高分子线团在没有达 到接触浓度c 之前就随浓度的升高而收缩，因而真实的接触浓度c ( 定 义时假定接触前高分子尺寸不变) 是一个既不能用理论也不能用实验糟确 确定的量。有时岛比c 要低好几个数量级f 2 砌。c a 的存在得到了体积捧除 色谱【2 卅( s e c ) 和动态光散射【蚓( d l s ) 等研究的证实，已被广泛应用。 潘雁、程铬时等辟8 】从团簇理论出发，定义可刚观察到生成团簇的浓度 为动态接触浓度，此时团簇只有二聚体，含量仅达到0 o o l ，从而推出： c ，= 0 0 0 1 ，2 岛产0 0 0 3 k h r 】 ( 1 - 1 ) 这样团簇理论不仅预言了岛的存在，且能计算大小，并得到了实验支持。 “为链的缠结浓度，为亚浓与浓溶液的分界浓度，在亚浓溶液中线团 间开始相互穿透，到溶液浓度c c e 时，线团已相互穿透而形成范德华网 络或称作链的拓扑缠结。虽然不可能很精确，但c e 可从溶液中扩散系数的 浓度依赖性d ( c ) 或溶液沉降系数的浓度依赖性s ( 谚获得。在c c 。，d ( c ) 和 s ( c ) 都有分子量依赖性，而在c “时不同分子量试样的曲线都落到同一 条曲线上，从网络概念很好理解，因为溶液形成网络后，分子量就失去意 义。按蛇行理论，在良溶剂中d ( c ) * c0 , 7 5 , c ) * c 棚；在日溶液中， d ( c ) 一c ，s 一c 。d ( c ) ，s ( c ) 实验关系对日溶液与蛇行理论值有很好符 合，而对良溶剂溶液与蛇行理论可有相当偏差。c 。的数值有相当大的分子 量依赖性和溶剂依赖性，聚苯乙烯的实验数据( 膨= 1 0 4 1 0 e ) 说明在良 溶剂中g = ( 0 5 5 ) g d l ，在0 溶液中岛= ( 1 1 0 ) g ，d l ，分子量愈大c 。 4 山东轻工业学院硕士学位论文 值愈小。 c + 初始时是作为亚浓与浓溶液的界限提出的f 2 5 1 ，不过在钱人元后来 的文章2 0 1 中，重新定义c + 为浓与极浓溶液的界限，认为溶液浓度达c 十时 线团已充分相互穿透而成为高斯线团。“和c + 也是钱人元提出的概念【2 0 】。 c + 为极稀和稀溶液的分界浓度，由d o n d o s 等人提出 3 1 - 3 4 oc 女被定 义为球型线团起始交叠时的浓度，在c 料浓度时，高分子链开始接触并且 占据整个溶液的体积。在c + + c ，浓度区间内，高分子链保留它们的个体 性。据笔者理解，c ，t 与c 的区别在于：c ，为高分子链刚刚开始接触时的 浓度，之后，随着c 的增大，由于体积捧斥作用，线团开始收缩，直到成 为最紧密堆积，但尚未穿插交叠，此时的浓度值即为c + ，c 继续增大，线 团之间就要相互穿透，直到成为链段分布均匀的亚浓溶液。 c ，也为极稀和稀溶液之间的分界浓度，在s i m i o n e s c u 的系列工作中采 用 3 5 , 3 6 1 。并用c + t 表示亚浓与浓溶液的界限，他认为低聚物溶液只存在稀 和浓溶液区，而检测不出亚浓区。因此，对于文献上的c + ，要注意加以 区别。 1 5 交联反应过程研究方法 1 5 1 粘度法 粘度是高分子溶液的一个重要性质，是液体分子进行相对运动时产生 的一种内摩擦。溶液的粘度一方面与聚合物的分子景有关，却也同时决定 于聚合物分子的结构、形态和在溶剂中的扩张程度。粘度法若与其它方法 相配合，可以研究高分子在溶液中的尺寸、形态以及高分子与溶剂分子之 间的相互作用等重要特性。因此，可以说粘度法是聚合物结构鉴定中很有 价值的方法。 依照牛顿粘性流动定律，可得到牛顿粘度定律的表示式： a = t 1 号 ( 1 2 ) 式中，a 表示单位面积液体的粘滞阻力，喜表示流速梯度，比例常数t 7 就是液体的粘度，又叫绝对粘度或动力粘度。 液体粘度的绝对值测定是很困难的【3 7 1 ，而且在高分子溶液中，我们所 感兴趣的不是液体的绝对粘度，而是当高分子进入溶液后所引起的液体粘 度的变化。对于这种变化的量度，一般采用如下几种参数： 1 相对粘度( 粘度比) m = 叩1 7 d ( 1 - 3 ) 2 增比粘度( 粘度相对增量)7 口= ( t 7 t 7 d ) ，舶= 7 7 ，1( 1 - 4 ) 3 粘数( 比浓粘度或比浓增比粘度) 仉以= ( ，7 ，1 ) c ( 1 - 5 ) 4 对数粘数( 比浓对数粘度) l n 町d c = l n ( 1 + r ，。) c ( 1 - 6 ) 第章绪论 5 特性粘数( 极限粘数) 脚】_ l i r a ( c ) = l i m o n m c ) ( 1 - 7 ) 式中，t 7 及r o 分别表示溶液发溶剂的粘羼弋单位m u g ) ；c 为溶液的 浓度( 单位眦) 。 其中，特性粘数 n l 与浓度无关，当聚合物、溶剂和温度确定以后，【羽 的数值仅由试样的分子量m 决定，用m a r k - h o u w i n k 方程表示为： 【町】= 枷4 ( 1 8 ) 在一定的分子量范围内，七和a 是与分子量无关的粘度常数，因此据 测得的【町】值可计算试样的分子量肘。对于多分散的试样，粘度法所测得 的分子量也是一种统计平均值，称为粘均分子量，用瓦表示。特性粘数 【喇实质上是孤立高分子链在溶液中的流体力学尺寸的表征3 引，由此参数 可获得关于单个高分子链的形态、尺寸及溶剂化能力等的信息。所以测量 特性粘数成了高分子表征的一个重要步骤。为了获取特性粘数，人们往往 是先找出粘数随浓度的变化规律，然后按其规律将浓度外推到零。由此引 发了关于高分子稀溶液粘度的浓度依赖性的研究。 ( 1 ) 高分子稀溶液粘度的浓度依赖性 在一般的双组分分散液中，其相对粘度总是随分散颗粒浓度的增大而 增大。在浓度不大的溶液中，常常忽略溶质颗粒间的相互作用，可以认为 溶液的粘度是各个溶质颗粒对整个流体力学剪切场贡献的总和。在此基础 上，e i n s t e i n 依据流体力学的基本理论，首先推导出描述含刚性球状粒子 的稀悬浮液的相对粘度的方程( 称为e i n s t e i n 粘度方程) ： m = l + r l c ( 1 - 9 ) 若将高分子稀溶液视为球形的溶剂化高分子链区( 溶胀线团) 和相对 小的溶剂分子组合而成的均匀溶液，e i n s t e i n 粘度方程理应可以适用。然 而大量实验事实表明，e i n s t e i n 粘度方程并不适用于长链的高分子稀溶液， 其实际粘度往往大大高于e i n s t e i n 粘度方程的预测值。通常情况下，其粘 度行为服从于下述经验公式： 町r = 1 + 口o c + a l c 2 ( 1 - 1 0 ) 0 3 t , l c = - a o - f a l c ( 1 - t 1 ) 式中，a o 和a 1 为常数。式( 1 - 1 1 ) 表明粘数与浓度里线性依赖关系， 两者作图的截距，即理论所定义的特性粘数，故有 伽= 【删 ( 1 - 1 2 ) 【町】只和孤立大分子链的形态尺寸有关；而直线的斜率a 。则被认为既 和大分子的形态尺寸又和高分子链问的相互作用有关。显然，在相同的浓 度区间内，由致密材料形成的胶体分散液和高分子溶液有相当大的差别。 6 山东轻工业学院硕士学位论文 前者的溶质颗粒间几乎没有相互作用，其粘数是恒定值，即等于特性粘数； 而后者的溶质颗粒间相互作用，粘数产生明显的浓度依赖性。 当将a 1 表示为下式时； a l = h 【卵】2 ( 1 - 1 3 ) 式( 1 - 1 1 ) 就转换为常见的h u g g i n s 方程【1 7 】： r s p c = 【，l 】+ b i 【， 】。c ( 1 - 1 4 ) 式中，七h 称为h u g g i n s 系数或斜率常数。 h u g g i n s 方程形式简单，使用方便，除聚电解质外，大部分高分子溶 液的粘数在稀区符合h u g g i n s 方程，利用线性外推至浓度为零的方法，可 以非常方便地得到高分子溶液的特性粘数【啪。这样做实际上要求，即使 溶液的浓度稀释到非常低的程度，h u g g i n s 方程也是适用的。然而，早在 2 0 世纪5 0 年代，人们就发现当浓度低于某一特定值后，即进入极稀浓度 区，粘数曲线( 仉以 c 图) 偏离预计的线性关系，出现上弯或下弯的曲 线 3 8 - 6 1 】，如图1 2 所示，这就是所谓的高分子极稀溶液粘度反常行为。 ( 2 ) 高分子极稀溶液粘度反常的原因 对高分子极稀溶液粘度反常行为的研究由来已久，历史上也曾提出多 种解释。归纳起来，主要观点有以下几种： 吸附观点 吸附观点认为，极稀高分子溶液反常的粘度行为并不是由于溶液中高 分子链的尺寸和聚集状态发生改变，而是由于高分子溶质吸附在毛细管管 壁上干扰了对高分子溶液粘度的测量。o h m 5 3 ，5 7 5 8 1 和u m s t a t t e r 4 1 4 2 1 等的实 验结果表明，吸附可能导致实效管径减小，流出时间延长，从而使测定的 粘度值偏大。为验证高分子在毛细管管壁吸附导致粘数曲线在极稀溶液区 向上弯曲的推论，o h m 在2 0 世纪5 0 年代做了一个著名的粘度实验【5 3 1 ， 他巧妙的设计了一个三合一的特制粘度计，其中包含三根不同直径的毛细 管和不同体积的测量球泡，可以同时测量同一流体的流出时间。o h m 对 一个已知特性粘数和h u g g i n s 系数的聚苯乙烯试样，仔细测量了它在甲苯 溶液中的多个浓度直至极稀浓度区的粘度，实验测得的粘数曲线( 图1 3 ) 在极低浓度区出现了正偏离，而且毛细管的孔径愈细，向上偏离的幅度愈 大，定性地证实了吸附学说的推论。 文献 6 2 1 认为因吸附作用致使的粘数曲线佩离完全可以通过对实验方 法的改进来解决，即先测定不同浓度高分子溶液的流出时间t ，用纯溶剂 清洗粘度计3 5 次，最后才测定纯溶剂的流出时间t o 。，以此流出时间整 理实验数据，可直接消除高分子在毛细管壁上吸附对溶液粘性行为的影响 7 第一章绪论 ( 笔者称此法为“法”) 。 龟 皂 ? c ( r c o ) 图卜2 高分子极稀溶液粘度反常示意图 临界浓度观点 临界浓度观点认为，粘数对浓度作图所得曲线，在极稀溶液区产生偏 翟 蓄 毒 c ，州 图1 - 3o h m 所报道5 卸的p s 甲苯溶液( 2 0 。c ) 的粘数与浓度的关系( 转 引自文献2 8 1 ) d 表示粘度计中毛细管的直径； 离线性的斜率突变，反映了高分子线团在溶液行为中临界现象的存在，并 称此突变浓度为临界浓度4 0 4 3 ，4 钔。 8 山东轻工业学院硕士学位论文 s t r e e t e r 和b o y e r 等3 8 ，4 2 1 认为高分子溶液在极低浓度区出现的正偏离 与高分子链的构象变化有关，当溶液浓度逐渐变稀时，高分子在某一临界 浓度开始解缠结，解缠结后的高分子线团彼此独立，互不影响；进一步稀 释溶液，则溶剂化作用将会增强，使得溶液中高分子链更加伸展，导致高 分子溶液粘数随浓度的减小而增大。 对于离聚物和聚电解质而言，由于它们性质的特殊性( 都含有离子基 团) ，一种观点认为是由于分子内的静电排斥作用引起链的扩张所致【6 引， 另一种认为是由于分子间较强的静电相互作用所致 6 4 正7 1 ，前者被广泛接 受。 1 5 2 光散射法 光散射技术是一门多学科的综合性技术，近年来，光电子和计算机技 术的飞速发展使得光散射技术已经发展成为高分子和胶体研究的一种常 用测试手段。合成高聚物和生物大分子的许多重要性质是由大分子的分子 量、分子形状和分子内部的可动性所决定；前者可通过静态光散射来确定， 而有关大分子的内部运动和分子质心运动的信息，则可用动态光散射测 得。在使用过程中，静态和动态光散射有机结合可用来研究高分子以及胶 体粒子在溶液中的许多涉及到质量和流体力学体积变化的过程，如聚集与 分散、结晶与溶解、吸收与解吸、高分子链的伸展与卷缩，并得到许多独 特的微观分子参数。 ( 1 ) 静态光散射 静态光散射中，通过测定时间平均散射光强的角度和浓度的依赖性， 可以精确地得到高聚物的重均分子量m w 、根均方旋转半径和第二维里 系数a 2 。对高分子稀溶液或胶体分散液，小角度下测量所得的时间平均 散射光强( 即r a y l e i g h 比r ( 回，妫散射角) 与腻，的关系为： 焉= 击c - + 等砌2 咖2 忡如c 或简化为 7 0 1 嵩= 击1 醒2 9 2 卜c 其中：h = 4 舻n 2 ( a n a c ) 2 ( c a z 0 4 ) 称为光学常数；n 、d n d c 、知和a 分别为 溶剂的折光指数、溶液的折光指数增量、入射光在真空中的波长和 a v o g a d r o 常数；c 为溶液的浓度；贾( 国为瑞利( r a y l e i g h ) 1 七，也称瑞利因子， 当观测距离、入射光强度以及散射体积确定后，瑞利比是散射光强的量度： 坻为重均分子量；a = x o ，n 为入射光在溶液中的波长；r s z 为均方旋转半 9 ) ” 埔 j 卜 l ( ( 第一章绪论 径，是高分子链的质量中心至各个链段的距离平方的平均值，反映高分子 链的尺寸大小；0 和a 2 分别是散射角和第二维利系数；q = 4