Гідрогелі та суперабсорбуючі полімери (частина I)
Гідрогелі є універсальними матеріалами, що включають цілу низку хімічних структур, що використовуються для отримання широкого діапазону застосувань в таких секторах, що відрізняються один від одного, як виробництво підгузків, гідророзбухаюча герметизація для громадських робіт, водоблокування для проводів і кабелів, створення штучних середовищ для сільського господарства та садівництва, пристрої для доставки діючої речовини лікарських препаратів, розумні полімери, здатні реагувати на різні дії, гідрофільні покриття, полімерні добавки. У цій статті йтиметься про найбільш загальні параметри, а в двох наступних буде дано більш докладну інформацію про ці застосування.
Прості питання та невизначені відповіді Що таке гідрогелі? Відповідь, яка свідчить, що гідрогелі це колоїдні гелі, в яких середовищем є вода, не є задовільною, і негайно тягне за собою виникнення другого питання, 'А що таке гель?', а також третього, 'Що таке колоїдний?' На ці дуже прості питання можна отримати найрізноманітніші відповіді, більшою чи меншою мірою наукові чи буквальні, і більшою чи меншою мірою неясні, уникливі чи двозначні. Виявимо хоробрість, і сформулюємо деякі положення, які повністю відкриті для дискусії: - колоїди або колоїдні системи, або колоїдні розчини, або колоїдні дисперсії являють собою суміші середовища та дисперсної фази, розділеної на маленькі частинки, які називаються колоїдними частинками. До добре знайомих нам колоїдів відносяться туман, гомогенізоване молоко. Хоча й немає чітко позначених меж розмірів, зазвичай колоїдні частки мають розмір порядку від 1 до 100 нм і навіть 1000 нм. Якщо всі часткиприблизно одного розміру система називається монодисперсною; у протилежному випадку системи будуть гетеродисперсними. Якщо ж має місце наявність частинок з багатьма розмірами, система називається полідисперсною. - Колоїдні гелі являють собою суміш середовища та дисперсної фази, яка, можливо, поглинула деяку частину цього середовища, що дало нам напівтвердий матеріал, такий як желе, з певним (зазвичай досить невеликим) напругою пластичного течії та властивостями, проміжними між властивостями розчину та властивостями тонкодисперсної суспензії. - Гідрогелі є колоїдні гелі, середовищем яких є вода, а дисперсна фаза частково з'єдналася з водою з утворенням желеподібного матеріалу. До знайомих нам гідрогелів входить крохмаль. За своєю суттю гідрогелі гідрофільні (тобто люблять воду) завдяки численним полярним групам, або іноді амфіфільні (складаються з гідрофільних і ліпофільних структур, що люблять воду і масла). Поглинання води та її кінетика можуть контролюватись за рахунок вибору хімічної структури, ступеня зшивання та спінювання. Залежно від цільового кінцевого застосування, поглинання води може бути від десятих відсотка до збільшення обсягу кілька сотень разів. Як і більшість полімерів, гідрогелі можна спінювати, що дозволяє посилити поглинання вологи за рахунок капілярності. Для певного гідрогелю, розбухання і стабільність залежать від вмісту іонів у воді. - Колоїдним електролітом називають електроліт, що дає іони, з яких хоча б один колоїдного розміру. Таким чином, до цього поняття включаються колоїди з іонною асоціацією, а також поліелектроліти. - Поліелектроліт являє собою макромолекулярну речовину, яка при розчиненні у воді або іншому іонізуючому розчиннику, розпадається з утвореннямполікатіонів або поліаніонів разом з відповідною кількістю іонів з невеликим зарядом та протилежним знаком. Поліелектроліт може бути полікислотою (наприклад, поліакриловою кислотою), поліосновою, сольовою формою поліелектроліту, поліефіром (поліметилакрилат) або поліамфолітом.
Деякі специфічні параметри колоїдних гелів Маючи особливу структуру, гідрогелі, в результаті, мають і особливі властивості. Наприклад: - Колоїдні частинки більші за молекули, і колоїди не просочуються через напівпроникну мембрану; - Колоїдні частинки розсіюють світло, що відомо як ефект Тіндаля; - Колоїдні частинки знаходяться в постійному русі, який називається броунівський рух. Воно дозволяє частинкам залишатися в суспензії; - Високодисперсні колоїдні частинки мають велику поверхню, що сприяє високому рівню поглинання. Цей параметр можна контролювати за рахунок обмеженого зшивання, що одночасно підвищує і стійкість гелю до механічних впливів; емульсії чи дисперсії. Природним прикладом є натуральний латекс. - Колоїдні частинки до певної міри впливають на температуру кипіння, температуру замерзання і т. д. розчину; - Коли частинки колоїду поглинають іони і отримують електричний заряд, один і той же для всіх частинок (або позитивний, або негативний), це створює ефект відштовхування. При застосуванні електричного потенціалу, заряджені частинки переміщаються до електродів з протилежними зарядами, цей процес називається електрофорезом. - Якщо заряди частинок нейтралізуються іншим колоїдомабо розчином з протилежним зарядом, нейтралізовані частинки притягуються один до одного, вони коагулюються і випадають в осад з суспензії. - Деякі гелі тиксотропні, будучи твердими в розслабленому стані, і вільно текучими при впливі напруги, зсуву, струшування або іншого втручання. Тиксотропна поведінка оборотна. До найбільш поширених тиксотропних гелів входять деякі фарби. Ці специфічні властивості і зумовлюють основні застосування гідрогелів.
Чому слід використовувати гідрофільні полімери? Існує кілька причин для використання гідрофільних полімерів на поверхні або в основному складі. На Рисунку 1 показані деякі загальні способи на основі поглинання води, можливо, на основі одного або декількох специфічних властивостей, таких як, наприклад, прозорість та проникність для кисню для м'яких контактних лінз, які виробляються з силіконових гідрогелів, температура переходу в інший стан для систем контрольованого введення лікарських препаратів та розумних матеріалів.
Деякі застосування гідрофільних полімерів.
Гідрофільні та. гідрофільні полімери Як можна бачити на наведеному графіку 'Поглинання води', товарні та конструкційні термопластичні матеріали поглинають мало води, навіть при тому, що добре відомі конструкційні пластмаси, такі як поліаміди або полііміди, можуть поглинати до кількох відсотків води.
Поглинання води.
Тож отримання більш високого поглинання води необхідно використовувати спеціальні сімейства хімічних речовин. Деякі з цих полімерів є промисловими, інші мають обмежене спеціальне застосування або є експериментальними. Можна, можливоперерахувати, не претендуючи на те, щоб дати вичерпний перелік: 1) Акрилова кислота та її похідні: - Поліакрилова кислота - PAA - Поліметакрилова кислота - Полібутилкрилат - Поліакрилати натрію та калію - Гідроксиетилметакрилaт - Гліцерометакрилaт - PAA, модифікований поліефіром.
Поліакрилова кислота та солі.
2) Поліакриламід та похідні: - Поліакриламід - p(N,N-диметил акриламід) - p(N-ізопропілакриламід) - p(NIPAAm).
Поліакриламід.
3) Полівінілспиртові або PVAL.
Полівінілспиртові.
4) Пиридин та інші похідні азотні: -p(вінілпіролідон) або PVP.
Полівінілпіролідон.
- p(вініл-N-метилпіридиній йодид) - p(2-вінілпіридин) - p(2-вінілпіридиній бромід) - p(вінілпіридин кватернізований алкілбромідом) - p(аліламін) гідрохлорид - p(N-вінілацетамід).
5) Целюлозні похідні: - карбоксиметилцелюлоза - гідроксипропілцелюлоза - HPC.
6) Різні оксигеновані похідні: -p(вінілацеталі) -p(вінілбутирал) -p(метилвінілефір).
7) Оксиди: - поліетиленоксид - гідроксизавершені PEO - метоксизавершені PEO, - фенілзавершені PEO.
8) Гліколі: - p(етиленгліколь) або PEG - p(пропіленгліголь) - полісахариди - p(мальтотріоза) - мальтоолігосахариди - декстрани (полісахариди з розгалуженням) - пулулан (лінійний полісахарид).
9) Кислоти: -p(стиролкарбонова кислота) -p(стиролсульфокислота) -p(Na сіль стиролсульфокислоти).
10) Сополімери: - PVAL-сополімер поліакрилової кислоти - етиленвініловий спирт або EVAL або EVOH - епокси-акрилaти - силікон-поліетиленгліколь - PA-PEO - PUR-PEO - PBT-PEO - ізобутилен-малеїно-ангідридний сополімер - PS-блок-p(4-вінілпіридин) - PS-дивінілбензин - PS-DVB -p(ізопрен)-b-p(2-вінілпіридин) -p(бутадієн)-b-p(4-вінілпіридин) -PMMA-b-p(2-вінілпіридин) - Полігідроксиетилметакрилат - AAEM-вінілкапролактам - AAEM-VCL - p(t-бутил метакрилат)-b-p(2-вінілпіридин) - p(t-бутил метакрилат)-b-p(4-вінілпіридин ) - p(t-бутил акрилат)-b-p(2-вінілпіридин) - p(2-вініл піридин)-b-p(4-вінілпіридин) - поліетилен-b-p(2-вінілпіридин) - поліетилен -b-p(4-вінілпіридин) - поліетилен/ангідрид малеїнової кислоти.
11) Триблочні кополімери: -p(2-вінілпіридин)-b-PS-b-p(2-вінілпіридин) -p(4-вінілпіридин)-b-PS-b-p(4-вінілпіридин) - p(2-вінілпіридин)-b-PMMA-b-p(2-вінілпіридин) - p(4-вінілпіридин)-b-PMMA-b-p(4-вінілпіридин) - p(2-вінілпіридин)- b-p(t-бутилакрилат)-b-p(2-вінілпіридин) -p(4-вінілпіридин)-b-p(t-бутилакрилат)-b-p(4-вінілпіридин) - PEO-b-PS-b-PEO - PS-b-PEO-b-PS.
12) Природні полімери: - крохмаль - альгінати - казеїн - желатин - каррагенан.
Як зробити полімер гідрофільним Ми розглянули деякі гідрофільні за своєю природою полімери та кополімери, які утворюються в результаті полімеризації гідрофільних, і ліпофільних послідовностей. Існують інші можливості. Тут можна розглянутиr: 1) Зміна полімеру за рахунок хімічної обробки, такий як гідроліз, проведення щепленої кополімеризації з гідрофільними мономерами. Наприклад: - PVAL виходить гідролізом полівінілацетату - EVAL (або EVOH) виходить гідролізом EVA. дляштампування. - Прищеплення PVP на кремнієві пластини. У будь-якому випадку властивості, в основному, залежать від гідролізу або ступеня щепленої кополімеризації. 2) Створення сплаву з високо гідрофільними полімерами. Наприклад: - Сплави каучуку та гідрофільних полімерів для створення рецептур для гідророзбухальної герметизації. - Модифіковані TPE. 3) Введення гідрофільних добавок, але вони часто амфіфільні, оскільки необхідно мати кінцеве завершення сумісне з полімером, який буде оброблятися і гідрофільну передню частину, сумісну з водним середовищем. 4) Поверхневе покриття гідрофільною плівкою. Наприклад: - Щеплена кополімеризація PAA, PVP і т. д. на поверхню поліетилену, термопластичного поліефіру, поліаміду 12, PEBA, PTFE для поліпшення коефіцієнта тертя катетерів та інших медичних пристроїв. - Розпилення складів з PVP. - Низькотемпературна плазмова полімеризація гексаметилдисилоксану. - Гідрофілізація штампування з PDMS за допомогою щепленої кополімеризації молекули PEG після O2-плазмової обробки.
Які застосування? Важко провести розмежувальну лінію між чисто гідрофільними та чисто амфіфільними полімерами. Наведені нижче застосування можуть збігатися там, де йдеться про амфіфільні полімери. - Гідророзбухаюча герметизація для підземних робіт. - М'які контактні лінзи. - Доставка препаратів, бактерицидних речовин та речовин, що передають запахи. - Розумні матеріали, що реагують на певні впливи. - Біокаучуки. - Продукти для догляду. - Полімерні добавки: - модифікатори реології. усадки. -- антистатики. -- засоби проти запотівання. - Стабілізатори для емульсій типу "масло у воді".