Химически каталог феномен на подуване на ВМС
Процесът на разтваряне на високомолекулни съединения е придружен от феномена на подуване. Това е спонтанен процес на абсорбция на IUD на нискомолекулна течност - разтворител, което води до значително увеличаване на масата и обема на взетата проба.
От гледна точка на съвременната теория, набъбването и разтварянето на HMS се разглеждат като процес на смесване на две течности: разтворител и HMS, който е в свръхохладено течно състояние. Когато спиралата набъбне, молекулите на разтворителя проникват дълбоко в нея. Това се улеснява от свободната структура на IUD, която се състои от нишковидни и извити макромолекули, преплетени една с друга. Молекулите на течност с ниско молекулно тегло, прониквайки дълбоко, запълват свободните пространства между макромолекулите, като ги отблъскват една от друга и отслабват междумолекулното взаимодействие. Образуваните "празнини" се запълват с нови молекули на разтворителя. В резултат на това обемът и масата на пробата се увеличават. Така например, когато желатинът набъбне във вода, обемът се увеличава 14 пъти. Ако увеличаването на обема бъде предотвратено, тогава се развива значително налягане, нареченоналягане на подуване.
Нека означим масата на пробата, взета преди набъбване през m0, и нейната маса след набъбване през m, тогава съотношението (m-m0)/m0 се наричастепен на набъбване(изразено като процент). Чрез измерване на степента на набъбване във времето чрез тегло или обем е възможно да се проследи кинетиката на процеса.
Прави се разлика междунеограниченоиограничено подуване. При неограничено набъбване макромолекулите, достатъчно отдалечени една от друга, започват да се откъсват и преминават в разтвор. Ето как каучукът набъбва в бензен, нитроцелулозата в ацетон, протеинът във вода. Ограниченото подуване не завършва с разтваряне. При всички температури вулканизираният каучук набъбва в ограничена степенорганични разтворители. Това се обяснява с наличието в структурата на този полимер на напречни връзки между макромолекули (поради серни атоми), които предотвратяват тяхното разделяне и преминаването им в разтвор. Желатинът набъбва във вода при стайна температура в ограничена степен, а при повишаване на температурата набъбва неограничено.
Подуването на ВМС е избирателно. Наблюдава се само при течности с близка до тях химична структура. Така въглеводородните полимери набъбват добре и се разтварят в течни въглеводороди (бензин, бензен и др.). Полимерите, съдържащи полярни групи в състава си, набъбват в полярни разтворители като вода, алкохоли, карбоксилни киселини и алдехиди.
В първия етап на набъбване малко количество молекули на полярния разтворител взаимодействат с полярните групи на HMS. Процесът е придружен от отделяне на топлина -топлина на набъбване- и компресия на системата (обемът на набъбналото вещество е по-малък от общия обем на IUD и абсорбираната течност). В следващите моменти голям брой молекули на разтворителя се въвеждат в празнините между макромолекулите без отделяне на топлина.
Следните фактори влияят върху степента и скоростта на набъбване на IUD в даден разтворител: температура, налягане, pH на средата, наличие на чужди вещества (особено електролити), степен на смилане и "старост" на веществото.
С повишаване на температурата скоростта на набъбване се увеличава и степента на ограничаване на набъбването намалява. Това е в добро съответствие с принципа на Le Chatelier (процесът на набъбване е екзотермичен). С увеличаване на налягането степента на подуване винаги се увеличава, което също следва от принципа на Le Chatelier, тъй като подуването е придружено от намаляване на общия обем на системата. Ефектът на pH на средата е изследван за протеини и целулоза. Оказа се, че минималният оток се наблюдава приизоелектрична точка (за желатин при pH=4,7). Това се обяснява с факта, че в изоелектричната точка зарядът на протеиновите макромолекули е минимален, а степента на хидратация на протеиновите йони също е минимална. Изследвано е влиянието на електролитите върху протеините и целулозата. В резултат на това беше установено, че подуването се влияе повече от аниони, отколкото от катиони на електролити. Някои аниони засилват, други отслабват набъбването на веществата. В кисела среда всички аниони намаляват подуването. Влиянието на концентрацията на H + йони и соли върху набъбването се използва практически в процеса на дъбене на кожа, при производството на целулоза, при производството на танини от дървесна кора.
Увеличаването на степента на финост влияе върху скоростта на набъбване, тъй като това води до увеличаване на контактната повърхност на набъбващото вещество с разтворителя и скоростта на проникване на молекулите на разтворителя в неговата дълбочина. Влиянието на "възрастта" или свежестта на IUD е особено важно за протеините. Колкото по-свежа е спиралата, толкова по-голяма е степента и скоростта на нейното набъбване. Намаляването на тези показатели се свързва сфеномена на стареене на HMC, което обикновено се причинява от образуването на междуверижни връзки и промяна в структурата.
Подуването играе важна роля в живота на животните и растенията, както и в редица технологични процеси. Така например, в началото на процеса на храносмилане, подуването на хранителните вещества възниква под въздействието на механични и химични фактори на тялото. Свиването на мускулите, образуването на тумори, еластичността на стъблата на растенията се обясняват с подуването на съответните тъкани. Типичен процес на набъбване е готвенето при повишени температури и налягания.
В процеса на получаване на различни лепила: лепило за дърво, каучуково лепило, нишестена паста, различни лакове, предварителното набъбване играе важна ролямакромолекулни вещества в подходящи разтворители. Набъбването възниква в процеса на дъбене на кожа, в производството на целулоза, в процеса на втвърдяване на цимента. Действието на така наречените пластификатори, които повишават еластичността и температурния диапазон на високоеластичното състояние на веществата, се основава на процеса на набъбване. Пластификаторите са течности с ниско молекулно тегло, които по химичен състав са близки до дадена спирала и се добавят в относително малки количества. Абсорбиран от веществото, пластификаторът раздалечава веригите, отслабва действието на привличащите сили между макромолекулите, което допринася за увеличаване на гъвкавостта на веригите.