黄原胶在水溶液中的构象转变及其流变学研究

摘要

黄原胶在水溶液中具有良好的假塑性能，粘度随着剪切速率的上升迅速下降。当黄原胶浓度上升时，其粘度增大，达到一定浓度时黄原胶形成可逆的弱凝胶结构。这种结构在剪切力作用下迅速被破坏，在停止剪切后能够逐渐恢复。 天然黄原胶通常为较规整的双螺旋结构，加热下会发生从螺旋到无序链的构象转变，随之进行的冷却处理能够使黄原胶恢复成不完整的双螺旋链，这个过程在本文中以模量随温度变化的曲线来表示。一般情况下，在加热过程中，随着温度的上升，螺旋不断解开成为无序链，因而体系刚性降低，模量逐渐下降，加热时间的长短和加热温度的大小能够影响其分子链解开的程度；在冷却过程中，无序链重新缠结成螺旋，因而体系模量逐渐恢复。由于最后形成的螺旋相对并不完整，所以经过处理后的黄原胶溶液粘度会有所下降。整个加热-冷却处理过程中模量变化最剧烈的温度区间称为构象转变温度Tm。然而，本文所研究的八种黄原胶水溶液不仅在粘度、模量上差异显著，而且在热处理过程中所表现出的构象转变过程也各不相同。其中型号为200、clear80、80和tsc的黄原胶较为特异：clear80和80没有明显的Tm，200在冷却过程中模量反常的增高，tsc则在加热之后假塑性增强。这可能与它们本身所含取代基和离子有关。 通过加入不同的电解质（六偏磷酸钠、氯化钾和氯化钙），比较TSC（含离子和丙酮酸基团较少）与80（含离子和丙酮酸较多）的流变学性质和构象转变，我们研究了电解质对黄原胶结构和构象转变的影响。钠、钾、钙等阳离子尤其是钙离子在黄原胶的双螺旋结构中起着很重要的作用。黄原胶的构象转变过程受阳离子的影响也十分显著。低浓度的阳离子对体系并没有明显的作用，当浓度足够高时，它们可以中和黄原胶侧链上的排斥电荷，从而使得分子链变得柔顺，体系的粘度下降；此外，它们能够在分子链间构建盐桥，有助于黄原胶双螺旋结构的形成，从而使得螺旋的规整度提高，体系模量增大。这些电解质的作用力的大小符合盐离子序列的规律。