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POLYÉLECTROLYTE CATIONIQUE (CATIONIC POLYELECTROLYTE)
Les termes polyélectrolyte cationique, électrolyte polymère et électrolyte polymère ne doivent pas être confondus avec le terme électrolyte polymère solide.
Les polyélectrolytes cationiques peuvent être synthétiques ou naturels. Les acides nucléiques, les protéines, les acides teichoïques, certains polypeptides et certains polysaccharides sont des exemples de polyélectrolytes cationiques naturels.
CAS No. : 42751-79-1
Synonyms:
Calcium dichloride; Katyonik polielektolit; Katyonik polielektrolit; Katyonik poli elektrolit; Cationic Poly-electrolyte; katiyonik polielektrolit; kationik polyelektrolit; cationic polielectrolite; Cationic Poly electrolyte; Cationic Polyelectrolyte Polyamine; Dimethylamine, polymer with epichlorohydrin and ethylenediamine; 2-(chloromethyl)oxirane; dimethylamine; ethane-1,2-diamine; Anionic & Cationic Polyelectrolyte; Anionic Polyelectrolyte; Cationic-Polyelectrolyte; acrylamide; furan-2,5-dione;2-methylprop-1-ene; Polyelectrolyte 60; Maleic anhydride, isobutylene copolymer; maleic anhydride isobutene; Isobutylene maleic anhydride; PEL; Cationic PEL; CATIONIC PEL; CATIONIC POLYELECTROLYTE; Calcium dichloride; Calcium chloride anhydrous; CaCl2; Calciumchloride; Calcium(II) chloride; Cationic Polyelectrolyte; Calcium chloride pellets; Isocal; Calcium dichloride; Katyonik polielektolit; CP; calcium chloride,anhydrous; CHEBI:3312; Caloride; Liquical; Jarcal; Unichem calchlor; Sure-step; Huppert's reagent; Calcium chloride, ACS reagent, desiccant; Homberg's phosphorus; Calcium chloride, 96%, for analysis, granules; Calcium chloride, 96%, for biochemistry, anhydrous
Polyélectrolyte cationique
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères dont les motifs répétitifs portent un groupe électrolyte. Les polycations et les polyanions sont des polyélectrolytes cationiques. Ces groupes se dissocient dans des solutions aqueuses (eau), rendant les polymères chargés. Les propriétés cationiques des polyélectrolytes sont donc similaires à la fois aux électrolytes (sels) et aux polymères (composés de haut poids moléculaire) et sont parfois appelées polysels. Comme les sels, leurs solutions sont conductrices d'électricité. Comme les polymères, leurs solutions sont souvent visqueuses. Les chaînes moléculaires chargées, couramment présentes dans les systèmes de matière molle, jouent un rôle fondamental dans la détermination de la structure, de la stabilité et des interactions de divers assemblages moléculaires. Les approches théoriques pour décrire leurs propriétés statistiques diffèrent profondément de celles de leurs homologues électriquement neutres, tandis que les domaines technologiques et industriels exploitent leurs propriétés uniques. De nombreuses molécules biologiques sont des polyélectrolytes cationiques. Par exemple, les polypeptides, les glycosaminoglycanes et l'ADN sont des polyélectrolytes cationiques. Les polyélectrolytes cationiques naturels et synthétiques sont utilisés dans une variété d'industries.
Définition IUPAC du polyélectrolyte cationique
Polyélectrolyte cationique: Polymère composé de macromolécules dans lesquelles une partie substantielle des unités constitutionnelles contient des groupes ioniques ou ionisables, ou les deux.
Remarques:
Les termes polyélectrolyte cationique, électrolyte polymère et électrolyte polymère ne doivent pas être confondus avec le terme électrolyte polymère solide.
Les polyélectrolytes cationiques peuvent être synthétiques ou naturels. Les acides nucléiques, les protéines, les acides teichoïques, certains polypeptides et certains polysaccharides sont des exemples de polyélectrolytes cationiques naturels.
Charge de polyélectrolyte cationique
Les acides sont classés comme faibles ou forts (et les bases peuvent également être faibles ou fortes). De même, les polyélectrolytes cationiques peuvent être divisés en types «faibles» et «forts». Un polyélectrolyte cationique «fort» est un polyélectrolyte qui se dissocie complètement en solution pour la plupart des valeurs de pH raisonnables. Un polyélectrolyte cationique «faible», en revanche, a une constante de dissociation (pKa ou pKb) dans la gamme de ~ 2 à ~ 10, ce qui signifie qu'il sera partiellement dissocié à pH intermédiaire. Ainsi, les polyélectrolytes cationiques faibles ne sont pas complètement chargés en solution, et de plus leur charge fractionnaire peut être modifiée en modifiant le pH de la solution, la concentration de contre-ion ou la force ionique.
Les propriétés physiques des solutions de polyélectrolytes cationiques sont généralement fortement affectées par ce degré de charge. Puisque la dissociation du polyélectrolyte cationique libère des contre-ions, cela affecte nécessairement la force ionique de la solution, et donc la longueur de Debye. Cela affecte à son tour d'autres propriétés, telles que la conductivité électrique.
Lorsque des solutions de deux polymères de charge opposée (c'est-à-dire une solution de polycation et une de polyanion) sont mélangées, un complexe en vrac (précipité) est généralement formé. Cela se produit parce que les polymères de charge opposée s'attirent les uns les autres et se lient ensemble.
Conformation du polyélectrolyte cationique
La conformation de tout polymère est affectée par un certain nombre de facteurs: notamment l'architecture du polymère et l'affinité du solvant. Dans le cas des polyélectrolytes cationiques, la charge a également un effet. Alors qu'une chaîne polymère linéaire non chargée se trouve généralement dans une conformation aléatoire en solution (se rapprochant étroitement d'une marche aléatoire tridimensionnelle auto-évitée), les charges sur une chaîne polyélectrolyte cationique linéaire se repousseront mutuellement via des forces à double couche, ce qui provoque la chaîne. pour adopter une conformation plus élargie, semblable à une tige rigide. Si la solution contient beaucoup de sel ajouté, les charges seront criblées et par conséquent la chaîne polyélectrolyte cationique s'effondrera en une conformation plus conventionnelle (essentiellement identique à une chaîne neutre dans un bon solvant).
La conformation du polymère affecte bien sûr de nombreuses propriétés de masse (telles que la viscosité, la turbidité, etc.). Bien que la conformation statistique des polyélectrolytes cationiques puisse être capturée en utilisant des variantes de la théorie conventionnelle des polymères, il est en général assez gourmand en calcul pour modéliser correctement les chaînes de polyélectrolytes cationiques, en raison de la nature à longue portée de l'interaction électrostatique. Des techniques telles que la diffusion statique de la lumière peuvent être utilisées pour étudier la conformation cationique des polyélectrolytes et les changements conformationnels.
Polyampholytes
Les polyélectrolytes cationiques qui portent à la fois des groupes répétitifs cationiques et anioniques sont appelés polyampholytes. La compétition entre les équilibres acido-basiques de ces groupes entraîne des complications supplémentaires dans leur comportement physique. Ces polymères ne se dissolvent généralement que lorsqu'il y a suffisamment de sel ajouté, ce qui filtre les interactions entre les segments de charge opposée. En cas d'hydrogels macroporeux amphotères, l'action de la solution saline concentrée ne conduit pas à la dissolution du matériau polyampholyte en raison de la réticulation covalente des macromolécules. Les hydrogels macroporeux 3-D synthétiques montrent l'excellente capacité à adsorber les ions de métaux lourds dans une large gamme de pH à partir de solutions aqueuses extrêmement diluées, qui peuvent être utilisées plus tard comme adsorbant pour la purification de l'eau salée. Toutes les protéines sont des polyampholytes, car certains acides aminés ont tendance à être acides, tandis que d'autres sont basiques.
Définition IUPAC
Polymère ampholytique: polyélectrolyte cationique composé de macromolécules contenant à la fois des groupes cationiques et anioniques, ou un groupe ionisable correspondant.
Noter:
Un polymère ampholytique dans lequel des groupes ioniques de signe opposé sont incorporés dans les mêmes groupes pendants est appelé, selon la structure des groupes pendants, un polymère zwitterionique, un sel interne polymère ou une polybétaïne.
Applications du polyélectrolyte cationique
Les polyélectrolytes cationiques ont de nombreuses applications, principalement liées à la modification des propriétés d'écoulement et de stabilité des solutions aqueuses et des gels. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour déstabiliser une suspension colloïdale et pour initier la floculation (précipitation). Ils peuvent également être utilisés pour conférer une charge superficielle à des particules neutres, leur permettant d'être dispersées en solution aqueuse. Ils sont donc souvent utilisés comme épaississants, émulsifiants, conditionneurs, agents clarifiants et même réducteurs de traînée. Ils sont utilisés dans le traitement de l'eau et pour la récupération du pétrole. De nombreux savons, shampooings et cosmétiques contiennent des polyélectrolytes cationiques. De plus, ils sont ajoutés à de nombreux aliments et à des mélanges de béton (superplastifiant). Certains des polyélectrolytes cationiques qui apparaissent sur les étiquettes des aliments sont la pectine, la carraghénane, les alginates et la carboxyméthylcellulose. Tous sauf les derniers sont d'origine naturelle. Enfin, ils sont utilisés dans une variété de matériaux, y compris le ciment.
Parce que certains d'entre eux sont solubles dans l'eau, ils sont également étudiés pour des applications biochimiques et médicales. Il existe actuellement de nombreuses recherches sur l'utilisation de polyélectrolytes cationiques biocompatibles pour les revêtements d'implants, pour la libération contrôlée de médicaments et d'autres applications. Ainsi, récemment, le matériau macroporeux biocompatible et biodégradable composé d'un complexe de polyélectrolytes cationique a été décrit, où le matériau présentait une excellente prolifération de cellules de mammifères et d'actionneurs musculaires semblables à des muscles.
Multicouches
Des polyélectrolytes cationiques ont été utilisés dans la formation de nouveaux types de matériaux connus sous le nom de multicouches de polyélectrolytes cationiques (PEM). Ces films minces sont construits en utilisant une technique de dépôt couche par couche (LbL). Pendant le dépôt de LbL, un substrat de croissance approprié (généralement chargé) est plongé dans les deux sens entre des bains dilués de solutions de polyélectrolytes cationiques chargées positivement et négativement. Au cours de chaque immersion, une petite quantité de polyélectrolyte cationique est adsorbée et la charge de surface est inversée, permettant l'accumulation progressive et contrôlée de films réticulés électrostatiquement de couches de polycation-polyanion. Les scientifiques ont démontré le contrôle de l'épaisseur de ces films jusqu'à l'échelle du nanomètre. Les films LbL peuvent également être construits en substituant des espèces chargées telles que des nanoparticules ou des plaquettes d'argile à la place ou en plus de l'un des polyélectrolytes cationiques. Le dépôt de LbL a également été réalisé en utilisant une liaison hydrogène au lieu de l'électrostatique. Pour plus d'informations sur la création multicouche, veuillez consulter Adsorption cationique de polyélectrolytes.
Formation de 20 couches de multicouche polyélectrolyte cationique PSS-PAH mesurées par résonance plasmonique de surface multi-paramétrique
Une formation LbL de PEM (PSS-PAH (poly (allylamine) hydrochloride)) sur un substrat en or peut être observée sur la figure. La formation est mesurée à l'aide de la résonance plasmonique de surface multi-paramétrique pour déterminer la cinétique d'adsorption, l'épaisseur de la couche et la densité optique.
Les principaux avantages des revêtements PEM sont la capacité à revêtir de manière conforme des objets (c'est-à-dire que la technique ne se limite pas au revêtement d'objets plats), les avantages environnementaux de l'utilisation de procédés à base d'eau, des coûts raisonnables et l'utilisation des propriétés chimiques particulières de le film pour une modification supplémentaire, telle que la synthèse de nanoparticules métalliques ou semi-conductrices, ou des transitions de phase de porosité pour créer des revêtements antireflets, des obturateurs optiques et des revêtements superhydrophobes.
Pontage
Si des chaînes de polyélectrolytes cationiques sont ajoutées à un système de macroions chargés (c'est-à-dire un tableau de molécules d'ADN), un phénomène intéressant appelé pontage des polyélectrolytes cationiques pourrait se produire. Le terme interactions de pontage est généralement appliqué à la situation où une seule chaîne de polyélectrolytes cationique peut s'adsorber sur deux (ou plus) macroions de charge opposée (par exemple, une molécule d'ADN) établissant ainsi des ponts moléculaires et, via sa connectivité, médiatiser des interactions attractives entre elles.
Lors de petites séparations de macroions, la chaîne est coincée entre les macroions et les effets électrostatiques dans le système sont complètement dominés par les effets stériques - le système est effectivement déchargé. Au fur et à mesure que nous augmentons la séparation des macro-ions, nous étirons simultanément la chaîne de polyélectrolytes cationique adsorbée sur eux. L'étirement de la chaîne donne lieu aux interactions attractives mentionnées ci-dessus en raison de l'élasticité du caoutchouc de la chaîne.
En raison de sa connectivité, le comportement de la chaîne polyélectrolyte cationique ne ressemble presque pas au cas des ions confinés non connectés.
Polyacide
Dans la terminologie des polymères, un polyacide est un polyélectrolyte cationique composé de macromolécules contenant des groupes acides sur une fraction substantielle des unités constitutionnelles. Le plus souvent, les groupes acides sont –COOH, –SO3H ou –PO3H2.
Domaines de définition et d'utilisation du polyélectrolyte cationique:
Un polyélectrolyte cationique est ajouté à la conduite de boues lors du pompage de l'excès de boue activée prélevée du bassin de sédimentation vers des filtres-presses ou des presses à bande pour déshydrater les boues.
Le polyélectrolyte cationique est largement utilisé dans les unités de déshydratation des boues des stations d'épuration des eaux usées.
Dans les procédés où la déshydratation des boues est effectuée avec un décanteur centrifuge, une presse à bande ou un filtre-presse, le floculant, qui est mélangé à l'aide d'un mélangeur statique, est dosé dans la ligne de boues sous pression.
Le principe de fonctionnement du produit polyélectrolyte cationique est généralement basé sur l'échange d'ions entre la chaîne polymère en solution aqueuse et les charges électriques des particules solides en suspension. La structure stable des particules solides se détériore, ce qui conduit à la coagulation ou à la floculation.
Les polyélectrolytes cationiques sont dilués de 0,05% à 0,1%. La solution de préparation est généralement préparée à 0,5% en ajoutant le produit d'origine à l'eau tout en mélangeant. Les caractéristiques des boues à déshydrater étant différentes, les dosages à appliquer sont déterminés à la suite d'essais de bocal et d'essais de fonctionnement en laboratoire.
Domaines d'utilisation du polyélectrolyte cationique
Les polyélectrolytes utilisés pour la floculation dans les systèmes de traitement des eaux usées sont divisés en deux groupes principaux en tant que polyélectrodes anioniques et cationiques. Bien qu'ils soient des polyélectrolytes nanioniques, ils ne sont pas beaucoup utilisés. En général, les polyélectrolytes anioniques permettent de combiner et de précipiter les particules des eaux usées dans les usines de traitement chimique.
Les polyélectrolytes cationiques sont utilisés pour faire flotter les flocs à créer dans les usines de traitement biologique de l'eau ou pour augmenter l'efficacité lors de la déshydratation des boues résiduaires de toutes les usines de traitement. Fondamentalement, il existe différents types de polyélectrolytes utilisés dans ces principes. Il est absolument essentiel que les tests de bocal requis pour les systèmes d'eaux usées soient effectués par des experts et que l'utilisation la plus appropriée du polyélectrolyte adapté au système soit choisie. En conséquence, le système de traitement peut fonctionner de manière saine et efficace.
Contrairement à sa forme anionique, le polyélectrolyte cationique est généralement utilisé dans les boues trop activées des stations d'épuration biologique. Un polyélectrolyte cationique est ajouté à la conduite de boues lors du pompage de l'excès de boue activée prélevée du bassin de sédimentation vers des filtres-presses ou des presses à bande pour déshydrater les boues.
Le polyélectrolyte cationique est un composé polymère linéaire, car il possède une variété de groupes vivants, d'affinité, d'adsorption et de nombreuses substances formant des liaisons hydrogène. Principalement floculation de colloïdes chargés négativement, turbidité, blanchiment, adsorption, colle et autres fonctions, pour la teinture, le papier, la nourriture, la construction, la métallurgie, le traitement des minéraux, le charbon, le pétrole et les industries de transformation de produits aquatiques et de fermentation de colloïdes organiques avec des niveaux plus élevés de traitement des eaux usées, en particulier pour les eaux usées urbaines, les boues d'épuration, les boues de papeterie et le processus de déshydratation des boues industrielles.
PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES ET AVANTAGES du polyélectrolyte cationique:
Soluble dans l'eau et peut également se dissoudre complètement dans l'eau froide.
Ajoutez une petite quantité de produits polyélectrolytes anioniques, vous pouvez recevoir beaucoup d'effet de floculation.
tout en utilisant les produits et le floculant polyélectrolyte anionique inorganique (sulfate ferrique polymérisé, chlorure de polyaluminium, sels de fer, etc.), vous pouvez afficher un effet plus important.
Propriétés typiques du polyélectrolyte cationique
Apparence Poudre blanche fluide
Masse volumique apparente g / l @ 25 ° C 0,75-0,85
Concentration pour dilution (g / l) 2,0-3,0
Avantages du polyélectrolyte cationique
Amélioration du taux de sédimentation dans le clarificateur
Amélioration de l'efficacité du clarificateur
Temps de rétention réduit
Fonctionne quel que soit le ph
Diminution des volumes de boue
Changement de couleur instantané
Gâteaux filtrants compressés
Réduction de la couleur des effluents
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères possédant de nombreux groupes ionisables. La combinaison du comportement polymère et électrolyte leur confère un certain nombre de propriétés utiles, comme indiqué dans le tableau 1, mais pose également des problèmes de caractérisation. Ce chapitre propose une introduction au comportement des polyélectrolytes cationiques en solution, discute des difficultés que ce comportement engendre dans la détermination des poids moléculaires et envisage les moyens de surmonter ces difficultés.
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères avec des groupes répétitifs ionisables, tels que les polyanions et les polycations. Ces groupes peuvent se dissocier dans des solvants polaires tels que l'eau, laissant des charges sur les chaînes polymères et libérant des contre-ions dans la solution (Bhattarai et al., 2010; Schatz et al., 2004; Wu et Delair, 2015). Les complexes de polyélectrolytes cationiques (PEC) offrent la possibilité de combiner les propriétés physico-chimiques d'au moins deux polyélectrolytes cationiques (Schatz et al., 2004). Les PEC sont formés par de fortes interactions électrostatiques entre des polyélectrolytes cationiques de charge opposée, conduisant à une condensation ionique interpolymère et à la libération simultanée de contre-ions (Wu et Delair, 2015; Luo et Wang, 2014). D'autres interactions entre deux groupes ioniques pour former des structures PEC comprennent la liaison hydrogène, les interactions hydrophobes, les forces de van der Waals ou le transfert de charge dipôle-dipôle.
Le chitosane a une nature cationique en raison de la protonation des groupes amino sur le squelette du polymère et devient un polyélectrolyte cationique cationique lors de sa dissolution dans l'acide acétique aqueux (Luo et Wang, 2014). Le mélange de chitosane cationique polyélectrolyte cationique avec des molécules de polyélectrolyte cationique chargées négativement forme des PEC spontanées, entraînées par l'entropie, qui peuvent être solubles dans l'eau ou précipitées. Les rapports non stoechiométriques de deux polyélectrolytes cationiques conduisent à la formation de particules. Pour la formation de particules de chitosane PEC, de nombreux chercheurs ont utilisé une solution de polyélectrolyte cationique cationique (chitosane) en excès de polyélectrolyte cationique anionique (Schatz et al., 2004). La taille des PEC est influencée par la concentration en polyélectrolyte cationique, la densité de charge, le rapport de mélange et le pH. La densité de charge du polyélectrolyte cationique chitosane dépend du pH de la solution et du degré de désacétylation (DDA) du chitosane. Avec l'augmentation du DDA (DDA> 50%), la densité de charge positive du polymère de chitosane augmente et présente donc un grand nombre de sites de réticulation pour fabriquer des PEC (Fan et al., 2012, Delair, 2011). La taille des particules des PEC de chitosane diminue avec la diminution de la DDA du chitosane et de sa masse molaire (Schatz, 2004). Des concentrations plus élevées de chitosane de bas poids moléculaire sont nécessaires pour former des PEC avec une rigidité de gel suffisante. Le chitosane de haut poids moléculaire peut former des PEC plus robustes avec des réseaux hautement réticulés.
Les polyélectrolytes cationiques (PEL) sont des polymères qui portent des charges dans leur squelette ou dans les chaînes latérales. Habituellement, une distinction est faite entre les polyélectrolytes cationiques faibles et forts. Les polyélectrolytes cationiques faibles sont des polymères avec des groupes faiblement acides ou basiques, qui sont protonés ou déprotonés en fonction du pH du milieu environnant, résultant en une densité de charge dépendante du pH. En revanche, la densité de charge dans les polyélectrolytes cationiques forts n'est pas influencée par le pH.
Les brosses cationiques en polyélectrolyte présentent des caractéristiques intéressantes tant du point de vue théorique que pratique car leur comportement est fondamentalement différent de celui des brosses en polymère non chargées. Dans le cas des brosses polyélectrolytes cationiques fortes, dans lesquelles la densité de charge est indépendante du pH, la structure moléculaire et les propriétés sont dominées par les interactions électrostatiques. La répulsion mutuelle entre les segments de polymère chargés influence fortement les propriétés physiques des couches greffées. Dans les brosses en polyélectrolyte cationique faible - dans lesquelles la densité de charge des chaînes dépend de leur niveau de protonation - la conformation de la chaîne dépend du pH de la solution. En particulier, le gonflement des brosses de polyélectrolyte cationique faible dans différents solvants a été largement étudié en raison de son importance pour les systèmes polymères réactifs. Le gonflement dépend de la nature du système solvant, ainsi que de son pH et de la concentration et de la nature chimique des autres ions dans la solution. En outre, des interactions avec des contre-ions sélectionnés peuvent être utilisées pour régler la mouillabilité des surfaces avec des brosses en polyélectrolyte cationique ancrées.
Aspects généraux des polyélectrolytes cationiques et des films PEM
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères ionisables qui changent leurs conformations polymères en fonction de leurs changements environnementaux. Ils sont de deux types: polyélectrolytes cationiques forts et faibles. Les polyélectrolytes cationiques forts sont chargés sur une large gamme de pH. Par conséquent, il est difficile de manipuler les propriétés du film assemblé à moins que l'on ne prenne des mesures spécifiques pour perturber les interactions polymère-polymère en contrôlant d'autres stimuli tels que la force ionique, la température et la polarité. Contrairement aux polyélectrolytes cationiques forts, les polyélectrolytes cationiques faibles ne sont chargés que dans une fenêtre de pH plus petite; par conséquent, leurs conformations polymères peuvent être facilement modulées lors du changement du pH de l'environnement externe. La caractéristique unique des films PEM assemblés à partir de polyélectrolytes cationiques faibles est qu'ils peuvent être détruits dans des conditions de pH extrêmes, car les déséquilibres de charge induits par le pH dans le film surcompensent les interactions polymère-polymère attractives.
Propriétés physicochimiques des polyélectrolytes cationiques
Les polyélectrolytes cationiques sont des macromolécules qui, lorsqu'elles sont dissoutes dans un solvant polaire comme l'eau, ont un (grand) nombre de groupes chargés liés par covalence. En général, les polyélectrolytes cationiques peuvent avoir divers types de tels groupes. Les polyélectrolytes cationiques homogènes n'ont qu'un seul type de groupe chargé, e. g. uniquement des groupes carboxylate. Si des groupes négatifs (anioniques) et positifs (cationiques) se produisent, nous appelons une telle molécule un polyampholyte. Ces polyélectrolytes cationiques ne seront abordés que brièvement à la fin de ce chapitre. Les structures auto-assemblées, telles que les micelles linéaires ou les assemblages de protéines linéaires, ont aussi souvent de nombreux groupes chargés; ces structures peuvent avoir des propriétés très similaires à celles des polyélectrolytes cationiques, mais nous ne les traiterons pas dans ce chapitre.
Les propriétés spéciales des polyélectrolytes cationiques, par rapport aux polymères non chargés, sont leur excellente solubilité dans l'eau, leur propension à gonfler et à se lier à de grandes quantités d'eau, et leur capacité à interagir fortement avec des surfaces et des macromolécules de charge opposée. En raison de ces caractéristiques, ils sont largement utilisés comme modificateurs de rhéologie et de surface. Ces propriétés typiques des polyélectrolytes cationiques sont intimement liées aux fortes interactions électrostatiques dans les solutions de polyélectrolytes cationiques et, par conséquent, sont sensibles au pH de la solution et à la quantité et au type d'électrolytes présents dans la solution.
Les polyélectrolytes cationiques présentent de nombreuses applications dans des domaines tels que le traitement de l'eau en tant qu'agents de floculation, dans les boues céramiques en tant qu'agents dispersants et dans les mélanges de béton en tant que super-plastifiants. De plus, de nombreux shampooings, savons et cosmétiques contiennent des polyélectrolytes cationiques. Certains polyélectrolytes cationiques sont également ajoutés aux produits alimentaires, par exemple en tant que revêtements alimentaires et agents de démoulage. Quelques exemples de polyélectrolytes cationiques sont la pectine (acide polygalacturonique), les alginates (acide alginique) et la carboxyméthylcellulose, dont le dernier est d'origine naturelle. Les polyélectrolytes cationiques sont solubles dans l'eau, mais lorsque la réticulation est créée dans les polyélectrolytes cationiques, ils ne sont pas dissous dans l'eau. Les polyélectrolytes cationiques réticulés gonflent dans l'eau et fonctionnent comme absorbeurs d'eau et sont connus sous le nom d'hydrogels ou de polymères superabsorbants lorsqu'ils sont légèrement réticulés. Les superabsorbeurs peuvent absorber de l'eau jusqu'à 500 fois leur poids et 30 à 60 fois leur propre volume (Bolto et Gregory, 2007; Dobrynin et Rubinstein, 2005).
Membranes polyélectrolytes cationiques
Des membranes de polyélectrolytes cationiques sont synthétisées à la surface des supports chargés via un revêtement séquentiel de polyélectrolytes cationiques anioniques et cationiques. Cette technique d'assemblage appelée couche par couche (LbL) est intéressante pour la préparation de membranes NF et RO, et la structure dense obtenue peut limiter le passage des ions à travers les membranes. Dans ce procédé, tout d'abord, la membrane initialement chargée est trempée dans la solution diluée positive de polyélectrolyte cationique cationique. Après cela, la membrane est retirée de la solution et rincée à l'eau pour l'élimination des molécules non liées. Ensuite, la membrane chargée positivement obtenue est immergée dans la solution diluée négative de polyélectrolyte cationique anionique suivie d'un rinçage à l'eau. A chaque étape, une faible teneur en polyélectrolytes cationiques s'adsorbe à la surface de la membrane et par conséquent la charge précédente de la membrane s'inverse. De multiples couches positives et négatives sur la surface de la membrane provoquent la préparation de membranes multicouches de polyélectrolyte cationique. Le nombre de couches de polyélectrolyte cationique formées a un rôle essentiel dans le flux d'eau et le rejet de sel des membranes de polyélectrolyte cationique. Le nombre plus élevé de couches augmente la résistance au transfert de masse, de sorte que le flux d'eau diminue. D'un autre côté, le rejet de sel augmente avec l'incrémentation des couches de polyélectrolyte cationique denses déposées. Il est à noter qu'il existe un nombre optimal de couches qui déterminent les performances de la membrane. Les performances de séparation, l'épaisseur, l'hydrophilie de surface et la charge des membranes LbL sont affectées par le type, la concentration, le pH et le nombre de couches des polyélectrolytes cationiques.
Coquille de polyélectrolyte cationique sensible au pH
Le complexe polyélectrolyte cationique est très prometteur pour la formation de récipients inhibiteurs sensibles au pH. Puisqu'il existe diverses possibilités pour modifier la perméabilité des multicouches de polyélectrolytes cationiques, l'utilisation de complexes de polyélectrolytes cationiques peut contrôler l'intérieur des conteneurs. En raison de la présence de groupes hydroxyle à la surface de la plupart des NP inorganiques, la majorité de ces particules sont chargées négativement à la surface; ainsi, des couches chargées de manière opposée de polyélectrolyte cationique peuvent être déposées en alternance sur le matériau par interaction électrostatique pour empêcher une fuite indésirable d'inhibiteur. La libération d'additifs ayant une fonction anticorrosion, similaire aux revêtements anticorrosion de polyélectrolyte cationique couche par couche, est contrôlée en faisant varier le niveau de pH, ce qui change la perméabilité couche par couche du polyélectrolyte cationique. Dans les polyélectrolytes cationiques linéaires non réticulés, les complexes de polyélectrolytes cationiques, en raison de leur nature électrostatique, sont très sensibles à la force ionique et au pH. Si deux types de polyélectrolytes cationiques forts constituent un complexe polyélectrolyte cationique, le complexe obtenu présente une stabilité dans une large gamme de valeurs de pH et peut être ouvert en augmentant la force ionique de la solution et en libérant le matériau confiné. Inversement, si des polyélectrolytes cationiques faibles constituent le complexe polyélectrolyte cationique, le complexe obtenu peut être endommagé et détruit en déplaçant le pH local vers acide pour les polyanions faibles et alcine pour les polycations faibles. Le complexe polyélectrolyte cationique composé de polyélectrolytes cationiques faibles et forts affiche une sensibilité au changement de pH dans une seule direction, ce qui signifie que le polyacide faible associé à une polybase forte ne peut être utilisé que pour la libération d'inhibiteurs dans des milieux acides et un polyacide faible avec une polybase forte pour la libération d'inhibiteurs uniquement dans les milieux alcalins, alors que le complexe polyélectrolyte cationique composé de deux polyélectrolytes cationiques faibles constitue une coque de récipient, qui affiche une sensibilité au déplacement du pH dans les deux régions. Par conséquent, la coque en polyélectrolyte cationique des supports d'inhibiteur de corrosion est capable d'empêcher les fuites de l'inhibiteur de corrosion à un pH presque neutre et d'obtenir des propriétés de libération intelligentes lorsque la corrosion commence avec un changement alcalin et acide du pH. La fabrication de nanoréservoirs inhibiteurs sensibles au processus anodique ou cathodique ou aux deux processus est possible en faisant varier le matériau de l'enveloppe du polyélectrolyte cationique. Skorb et ses collègues ont déposé une coque de polyélectrolyte cationique en utilisant la méthode couche par couche sur la surface des NP de silice mésoporeuse chargée avec [acide 2- (benzothiazol-2-ylsulfanyl) -succinique]. Ces NP ont été dopées dans le revêtement sol-gel. La perméabilité de la coque a augmenté en réponse à la région alcaline et acide à la surface corrodée, conduisant à la libération d'inhibiteurs. De plus, le revêtement hybride à base de zircone-silice contenant ces NP présentait une protection à long terme améliorée contre les éléments de corrosion.
Rhéologie du système électrostérique
Les polyélectrolytes cationiques sont largement utilisés comme dispersants pour les colloïdes à forte teneur en solides (> 50% en volume). Ils combinent les principes de l'EDL et de la stabilisation stérique, ou de la stabilisation électrostérique, et ils dépendent du pH et de la force ionique, comme Naito et al. discuter. À faible charge en solides (~ 20% en volume), la viscosité est relativement faible et elle est très peu affectée par les changements de pH. Cependant, à mesure que la charge en solides augmente, le pH affecte considérablement la viscosité. La quantité de polyélectrolyte cationique ajouté a également un effet profond sur la rhéologie colloïdale. Il doit être optimisé pour simplement saturer la surface. Des polyélectrolytes cationiques supplémentaires entraînent des quantités excessives de polymère dans le système, et un excès de polymère peut provoquer une floculation par déplétion dans les systèmes à forte charge en solides.
La conformation du polyélectrolyte cationique adsorbé joue également un rôle important dans le comportement rhéologique des colloïdes électrostériquement stabilisés et, à son tour, la conformation du polyélectrolyte cationique dépend du pH du système. Une étude détaillée du comportement d'adsorption sur Al2O3 montre que l'adsorption cationique des polyélectrolytes sur les particules augmente à mesure que le pH diminue. Typiquement, une augmentation de 10 fois de la quantité adsorbée est observée de l'état non chargé à l'état chargé. Lorsque le pH augmente ou diminue au-delà de la charge nulle, la fraction du polyélectrolyte cationique dissociée se déplace vers 1. Par conséquent, les charges dans le polyélectrolyte cationique du polyélectrolyte reCationique l'une l'autre et la molécule s'étire. A ce moment, deux modèles existent: le polyélectrolyte cationique chargé s'adsorbe à plat sur la surface ou le polyélectrolyte cationique s'adsorbe dans une structure de brosse en forme de queue.
La forme de conformation du polyélectrolyte cationique adsorbé influence fortement la qualité de la dispersion. Les types de structures - plates, en forme de crêpe ou en forme de brosse - sont obtenus dépend des conditions d'adsorption et des matériaux impliqués. Pour l'adsorption de type crêpe, le polymère ne contribue qu'à une force de répulsion à courte portée, et les forces EDL du polyélectrolyte cationique chargé contribuent principalement à la stabilisation via des interactions à longue portée. Pour les structures de type brosse, la répulsion est beaucoup plus forte et de véritables contributions électrostériques sont présentes. Les polyélectrolytes cationiques peuvent également être utilisés comme dispersants lorsqu'ils ne sont pas chargés, c'est-à-dire au niveau de leur PZC. Cependant, ils favoriseront les conformations en forme de bobine. Par conséquent, des poids moléculaires beaucoup plus élevés seront nécessaires pour obtenir des couches plus épaisses de bobines de polymère adsorbé, et les forces stériques contribuent principalement à la stabilisation.
