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ポリマーと溶媒の素晴らしい関係: 異なる温度範囲で溶解性にどのように影響を与えるか?
ポリマー科学では、特に繊維、医療、材料科学などの分野において、溶解度は多くの重要な応用の基礎となります。ポリマー溶液の挙動は温度の関数として変化します。この現象は、下限臨界溶液温度 (LCST) について議論するときにさらに明らかになります。 LCST は、混合物の成分があらゆる割合で完全に混和する温度を示す重要なパラメーターです。温度がこの臨界点を超えると、局所的な不溶性が発生します。
ポリマー溶液中の相挙動は、ほとんどのポリマー関連プロセスの開発および設計において重要な特性です。
ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド) などの一部のポリマーは、水溶液中で完全な混和性を示しますが、通常、相変化は 32°C (90°F) で起こりますが、実際には相変化温度が異なる場合があります。ポリマー濃度、鎖のモル質量、およびその他の要因に応じて、5 ～ 10°C 上昇します。これは、ポリマーとその添加剤 (塩やタンパク質など) の構造的特徴によって曇点温度 (LCST) が大きく変化する可能性があることを示しています。
物理的要因により、主に混合物のエントロピー変化要因により LCST が独特になります。
したがって、これは異常な値です。通常、混合プロセスにより各コンポーネントの利用可能な体積が増加するため、エントロピーによって混合が促進されます。LCST より下では、混合は自発的です。つまり、自由エネルギー変化 (ΔG) は負ですが、LCST より上では、この値は正になります。
理論的には、LCST モデルは格子流体モデルで記述できます。このモデルは、密度と圧縮率の効果を考慮に入れて、Flory-Huggins の解理論を拡張したものです。 Flory-Huggins 理論の最新の拡張により、溶質と溶媒の間の幾何学的相関と相関相互作用を考慮するだけで LCST 現象を観察できるようになります。
LCST を予測する方法も数多くあります。最初のタイプの方法は実験データに基づいて提案されており、固定された理論的背景を持っており、未知のパラメーターの調整が必要です。もう 1 つは、経験式を使用して物理的および化学的特性 (密度、臨界特性など) を通じて LCST を関連付ける方法ですが、この方法では必要なデータが得られない場合があります。
最近、Liu と Zhong は分子結合指数に基づく線形モデルを提案しました。この方法は優れた予測能力を示しており、実験前に重要なデータが得られることが期待されています。さらに、既存の QSPR (定量化された構造活性/特性関係) モデルは試行錯誤のコストを効果的に削減できるため、研究者は実際の合成前にポリマー溶液の LCST を比較的信頼性の高い予測を行うことができ、これは材料設計に大きな影響を与えます。大きな意義。
現在、70 を超える非イオン性ポリマーが水溶液中で LCST 挙動を示しており、これは新しいポリマーの設計に大きなインスピレーションを与えています。
科学が進歩するにつれて、ポリマーと溶媒の関係には今後も注目が集まります。研究者たちは新しいポリマー系とその溶解挙動の探索を続けており、将来的にはさらに多くの応用がこれらの研究結果に結び付けられる可能性があります。では、この知識を将来の科学研究でより良い材料を設計するためにどのように活用できるでしょうか?
