Хидрогелове и суперабсорбиращи полимери (част I)
Хидрогеловете са универсални материали, които включват набор от химични структури, използвани за постигане на широк спектър от приложения в различни сектори като производство на пелени, хидронабъбващо уплътняване за обществени работи, блокиране на вода за проводници и кабели, изкуствена среда за селско стопанство и градинарство, устройства за доставяне на лекарства, интелигентни полимери, способни да реагират на различни стимули, хидрофилни покрития, полимерни добавки. Тази статия ще се съсредоточи върху най-често срещаните параметри, а следващите две ще предоставят повече информация за тези приложения.
Бързи въпроси и несигурни отговори Какво представляват хидрогеловете? Отговорът, който гласи, че хидрогеловете са колоидни гелове, в които средата е вода, не е задоволителен и веднага води до втори въпрос, „Какво е гел?“, както и трети, „Какво е колоиден?“ На тези много прости въпроси може да се отговори по различни начини, повече или по-малко научни или буквални, и повече или по-малко неясни, уклончиви или двусмислени. Нека бъдем смели и формулираме някои точки, които са напълно отворени за дискусия: - Колоидите или колоидните системи, или колоидните разтвори, или колоидните дисперсии са смеси от среда и дисперсна фаза, разделени на малки частици, които се наричат колоидни частици. Сред добре познатите колоиди са мъгла, хомогенизирано мляко. Въпреки че няма добре дефинирани ограничения на размера, колоидните частици обикновено имат размер от порядъка на 1 до 100 nm или дори 1000 nm. Ако всички частициприблизително със същия размер, системата се нарича монодисперсна; в противен случай системите ще бъдат хетеродисперсни. Ако има частици с много размери, системата се нарича полидисперсна - Колоидните гелове са смес от среда и дисперсна фаза, която може да е абсорбирала част от тази среда, което ни дава полутвърд материал, като желе, с определено (обикновено доста малко) пластично напрежение на потока и свойства, междинни между тези на разтвор и тези на фина суспензия. - Хидрогеловете са колоидни гелове, средата от които е вода, а дисперсната фаза е частично комбинирана и се смесва с вода до образуване на желеобразен материал. Сред хидрогеловете, с които сме запознати, е нишестето. В основата си хидрогеловете са хидрофилни (т.е. обичат вода) поради многобройните полярни групи или понякога амфифилни (състоят се от хидрофилни и липофилни структури, които обичат вода и масла). Водопоглъщането и неговата кинетика могат да се контролират чрез избор на химическа структура, степен на омрежване и разпенване. В зависимост от предвидената крайна употреба, поглъщането на вода може да варира от десети от процента до няколкостотин пъти обема. Както повечето полимери, хидрогеловете могат да бъдат разпенени, за да се подобри поглъщането на влага чрез капилярност. За конкретен хидрогел, набъбването и стабилността зависят от съдържанието на йони във водата. - Колоидният електролит е електролит, който произвежда йони, от които поне един е колоиден по размер. Така това понятие включва колоиди с йонна асоциация, както и полиелектролити. - Полиелектролитът е макромолекулно вещество, което, когато се разтвори във вода или друг йонизиращ разтворител, се разлага, за да образуваполикатиони или полианиони заедно с подходящ брой йони с малък заряд и противоположен знак. Полиелектролитът може да бъде поликиселина (напр. полиакрилова киселина), полибаза, солева форма на полиелектролита, полиестер (полиметилакрилат) или полиамфолит.
Някои специфични параметри на колоидните гелове Хидрогеловете имат специална структура и в резултат на това те също имат специални свойства. Например: - Колоидните частици са по-големи от молекулите и колоидите не проникват през полупропусклива мембрана; - Колоидните частици разпръскват светлина, което е известно като ефект на Тиндал; - Колоидните частици са в постоянно движение, което се нарича брауново движение. Позволява на частиците да останат в суспензия; - Силно диспергираните колоидни частици имат голяма повърхност, което допринася за високо ниво на абсорбция. Този параметър може да се контролира чрез ограничено кръстосано свързване, което в същото време повишава стабилността на гела към механичен стрес; - В дисперсия или емулсия на всеки маслен или мастен химикал във водна среда, колоидите могат да създадат защитно покритие около дисперсната фаза, като постигат стабилността на емулсията или дисперсията. Естествен пример е естественият латекс. - Колоидните частици влияят до известна степен на точката на кипене, точката на замръзване и т.н. на разтвора; - Когато колоидните частици абсорбират йони и получават електрически заряд, който е еднакъв за всички частици (положителни или отрицателни), това създава отблъскващ ефект. Когато се приложи електрически потенциал, заредените частици се придвижват към електродите с противоположни заряди, този процес се нарича електрофореза. - Ако зарядите на частиците се неутрализират от друг колоидили разтвор с противоположен заряд, неутрализираните частици се привличат една към друга, те коагулират и се утаяват от суспензията. - Някои гелове са тиксотропни, като са твърди, когато са отпуснати, и свободно течащи, когато са подложени на напрежение, срязване, разбъркване или друга намеса. Тиксотропното поведение е обратимо. Някои бои са сред най-често срещаните тиксотропни гелове. Тези специфични свойства определят основните приложения на хидрогеловете.
Защо да използваме хидрофилни полимери? Има няколко причини за използването на хидрофилни полимери на повърхността или в основната формула. Фигура 1 показва някои общи методи, базирани на абсорбция на вода, вероятно базирани на едно или повече специфични свойства, като например прозрачност и пропускливост на кислород за меки контактни лещи, които са направени от силиконови хидрогелове, температура на преход за системи за контролирано доставяне на лекарства и интелигентни материали.
Някои приложения на хидрофилни полимери.
Хидрофилни и. хидрофилни полимери Както може да се види в придружаващата графика „Абсорбция на вода“, търговските и инженерните термопластични материали абсорбират малко вода, въпреки че добре познатите инженерни пластмаси като полиамиди или полиимиди могат да абсорбират до няколко процента вода.
Водоабсорбция.
Следователно, за да се постигне по-висока водопоглъщаемост, е необходимо да се използват специални групи химикали. Някои от тези полимери са търговски, други имат ограничени специални приложения или са експериментални. Могасписък без претенции за изчерпателен списък: 1) Акрилова киселина и нейните производни: - Полиакрилова киселина - PAA - Полиметакрилова киселина - Полибутилакрилат - Натриеви и калиеви полиакрилати - Хидроксиетил метакрилат - Глицерометакрилат - PAA, модифициран с полиестер.
Полиакрилова киселина и соли.
2) Полиакриламид и производни: - Полиакриламид - p(N,N-диметил акриламид) - p(N-изопропилакриламид) - p(NIPAAm).
Полиакриламид.
3) Поливинил алкохол или PVAL.
Поливинилов алкохол.
4) Пиридин и други азотни производни:2-р(винилпиролидон) или PVP.
Поливинилпиролидон.
- р(винил-N-метилпиридиниев йодид)2-р(2-винилпиридин)2-р(2-винилпиридиниев бромид)2-р(винилпиридин, кватернизиран с алкил бромид)2-р(алиламин) хидрохлорид2-р(N-винилацетамид).
5) Целулозни производни: - карбоксиметилцелулоза - хидроксипропилцелулоза - HPC.
6) Различни оксигенирани производни:2-р(винилацетали)2-р(винилбутирал)2-р(метил винилетер).
7) Оксиди: - полиетилен оксид - хидрокси-терминиран PEO - метокси-крайен PEO, - фенил-терминиран PEO.
8) Гликоли: -p(етилен гликол) или PEG -p(пропилен гликол) -полизахариди -p(малтотриоза) -малтоолигозахариди -декстрани (разклонени полизахариди) -пулулан (линеен полизахарид).
9) Киселини:2-р(стиренкарбоксилова киселина)2-р(стиренсулфонова киселина)2-р(Na сол на стиренсулфонова киселина).
10) Съполимери: -PVAL-съполимер на полиакрилна киселина -етилен винилов алкохол или EVAL или EVOH -епоксидни акрилати -силикон-полиетилен гликол - PA-PEO - PUR-PEO - PBT-PEO - изобутилен-малеинов анхидрид съполимер - PS-блок-p(4-винилпиридин) - PS-дивинилбензен - PS-DVB - p(изопрен)-b-p(2-винилпиридин) - p(bu тадиен)-b-p(4-винилпиридин) - PMMA-b-p(2-винилпиридин) - Полихидроксиетил метакрилат - AAEM-винилкапролактам - AAEM-VCL - p(t-бутил метакрилат)-b-p(2-винилпиридин) - p(t-бутил метакрилат)- b-p(4-винилпиридин) - p(t-бутил акрилат)-b-p(2-винилпиридин) -p(2-винил пиридин)-b-p(4-винилпиридин) - полиетилен-b-p(2-винилпиридин) - полиетилен -b-p(4-винилпиридин) - полиетилен/малеинов анхидрид иде.
11) Триблок съполимери: -p(2-винилпиридин)-b-PS-b-p(2-винилпиридин) -p(4-винилпиридин)-b-PS-b-p(4-винилпиридин) -p(2-винилпиридин)-b-PMMA-b-p(2-винилпиридин) -p(4-винилпиридин)- b-PMMA-b -p(4-винилпиридин) -p(2-винилпиридин)-b-p(t-бутил акрилат)-b-p(2-винилпиридин) -p(4-винилпиридин)-b-p(t-бутил акрилат)-b-p(4-винилпиридин) -PEO-b-PS-b-PEO -PS-b -PEO-b-PS.
12) Естествени полимери: - нишесте - алгинати - казеин - желатин - карагенан.
Как да направим полимер хидрофилен Прегледахме някои от присъщите хидрофилни полимери и съполимери, които са резултат от полимеризацията на хидрофилни и липофилни последователности. Има и други възможности. Тук може да се разгледа: 1) Модифициране на полимера чрез химическо третиране като хидролиза, извършване на присадена съполимеризация с хидрофилни мономери. Например: - PVAL се получава чрез хидролиза на поливинил ацетат - EVAL (или EVOH) се получава чрез хидролиза на EVA. - Присаждане на диметилметакрилат към естествен каучук, полибутадиен, полистиренови латекси - Присаждане на PEG към силикон след O2 плазмена обработка защамповане. - PVP присаждане върху силициеви пластини. Във всеки случай, свойствата зависят главно от хидролизата или степента на присаждане. 2) Образуване на сплав с високо хидрофилни полимери. Например: - Сплави от каучук и хидрофилни полимери за формулиране на хидронабъбващи уплътнители. - Модифицирани TPEs. 3) Включване на хидрофилни добавки, но те често са амфифилни, защото е необходимо да има краен край, съвместим с полимера, който ще се обработва, и хидрофилен преден край, съвместим с водна среда. 4) Повърхностно покритие с хидрофилен филм. Например: - Присадена съполимеризация на PAA, PVP и др. върху повърхността на полиетилен, термопластичен полиестер, полиамид 12, PEBA, PTFE за подобряване на коефициента на триене на катетри и други медицински устройства. - Пръскане на PVP състави. - Нискотемпературна плазмена полимеризация на хексаметилдисилоксан. - Хидрофилизиране на PDMS mol ding чрез присадена съполимеризация на молекули s PEG след O2 плазмено третиране.
Какви приложения? Трудно е да се направи граница между чисто хидрофилни и чисто амфифилни полимери. Следните приложения могат да се припокриват, когато става въпрос за амфифилни полимери. - Хидронабъбващо уплътнение за подземни приложения. - Меки контактни лещи. - Доставка на лекарства, бактерицидни средства и вещества, предаващи миризма. - Отзивчиви интелигентни материали. - Биокаучук. - Продукти за грижа. - Полимерни добавки: - Реологични модификатори.