Набухание и механические свойства гидрогелей на основе полиакриловой кислоты | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 28 декабря, печатный экземпляр отправим 1 января.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №10 (300) март 2020 г.

Дата публикации: 08.03.2020

Статья просмотрена: 2693 раза

Библиографическое описание:

Сорокина, С. Ю. Набухание и механические свойства гидрогелей на основе полиакриловой кислоты / С. Ю. Сорокина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 10 (300). — С. 1-5. — URL: https://moluch.ru/archive/300/67967/ (дата обращения: 16.12.2024).



В статье рассматривается получение гидрогелей полиакриловой кислоты (ПАК) методом радикальной сополимеризации из водных растворов акриловой кислоты различной концентрации. Исследован процесс набухания образцов гидрогелей ПАК в растворах с различными значениями рН и определены механические свойства образцов в режиме одноосного сжатия.

Ключевые слова: полиакриловая кислота, гидрогели, степень сшивки, степень набухания, механические свойства.

Гидрогелевые системы известны уже несколько десятков лет, и до настоящего времени активно исследуются способы их синтеза и уникальные физико-химические свойства. На данный момент известно, что полимерные гидрогели на основе химически сшитых полимеров акриловой кислоты способны набухать в водных средах в несколько десятков и даже сотни, что представляет собой большой научный и технический интерес. Благодаря данным свойствам полимерные гидрогели активно используются в качестве супервлагоадсорбентов (СВА), загустителей водных растворов, и, в небольшой степени, для экологических целей [1]. Взаимодействия сильно набухающих гидрогелей с растворами высоко- и низкомолекулярных веществ являются предметом активных исследований последние 20 лет. К примеру, для придания физиологической активности в гелиевые основы возможно вводить антибиотики, гормоны, анестетики, противогрибковые средства и витамины. Акриловые гидрогели, в отличие от широко применяемых ланолин-вазелиновых основ, не вызывают раздражения и чувства дискомфорта, имеют лучшую биодоступность и оказывают более продолжительный лечебный эффект. Также возможно введение в гидрогелевую матрицу электропроводящих полимеров, что позволяет получить электропроводящие композиционные системы, которые можно использовать в качестве различных электронных устройств, аккумуляторных батарей, а также в качестве искусственных мышц [2,3]. Таким образом, исследование свойств химически сшитых гидрогелей перспективно для решения ряда важных фундаментальных проблем — понимание физической природы полиэлектролитных явлений в целом, моделирование сложных биологических систем и др.

Гидрогели полиакриловой кислоты (ПАК) получали методом радикальной сополимеризации мономеров акриловой кислоты (АК) (SIGMAALDRICH, 99 %) со сшивателем — N, N’-метиленбисакриламидом (МБАА) (SIGMAALDRICH, 98 %) в водных растворах АК. Мольное соотношение АК/МБАА составляло 300/1. Для получения гидрогелей с различной степенью сшивки варьировали концентрацию АК (15, 20, 25 мас. %). В качестве инициирующей системы использовали окислитель — пероксидисульфат аммония (ПСА) (SIGMA-ALDRICH, 98 %) и N,N,N’,N’-тетраметилэтилендиамин (ТЕМЕД) (SIGMA-ALDRICH, 99 %). Для получения гелеобразной структуры водный раствор АК выдерживали в термостате 2–4 часа при температуре 50.

Гидрогели ПАК представляют собой трехмерную, сетчатую, сшитую структуру, состоящую из продольных полиакриловых цепей, поперечно сшитых МБАА и/или АК. Синтез геля представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Схема синтеза гидрогеля полиакриловой кислоты

Набухание гидрогелей ПАК проводили в водных растворах с различными значениями рН (рН = 2 (1М HCl); рН = 6 ( дистиллированная); рН = 11 (NaOH)).

Степень набухания рассчитывали по формуле

где — масса набухшего образца, г.;

— масса высушенного образца, г.

Сетчатая, сшитая структура гидрогеля обеспечивает проникновение молекул раствора в сетку полимера посредством диффузии, что сопровождается увеличением массы и объема образцов без изменения формы. Процесс набухания происходит до достижения равновесного состояния (равновесной степени набухания) гидрогеля с водным раствором, при котором давление набухания, аналогичное осмотическому давлению, уравновешивается упругими напряжениями поперечных сшивок. Кинетика набухания гидрогелей ПАК (АК 15, 20, 25 мас. %) представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Графики кинетики набухания гидрогелей ПАК в водных растворах с различными значениями рН: а) Кинетика набухания ПАК (АК мас. 15 %), б Кинетика набухания ПАК (АК мас. 20 %), в) Кинетика набухания ПАК (АК мас. 25 %)

В первые сутки происходит резкий рост значений степеней набухания гидрогелей ПАК (АК 15, 20, 25 мас. %) во всех средах с постепенным выходом на плато, что говорит о быстрой абсорбции гидрогелем молекул растворителя. При этом наблюдается увеличение времени достижения равновесной степени набухания с ростом значения рН водных растворов. Данные зависимости объясняются существенной разницей между значениями максимальной степени набухания гидрогелей ПАК в растворах с различными значениями рН. Зависимость равновесной степени набухания гидрогелей ПАК от рН среды представлено на рисунке 3.

Рис. 3. График зависимости равновесной степени набухания () от рН среды для гидрогелей ПАК с различной концентрацией АК

Наибольшее значение равновесной степени набухания образцов наблюдалось в щелочной среде. Для ПАК (АК 15 мас. 15 %) значение составило 63 г/г, для ПАК (АК 20 мас. %) — 52,5 г/г, а для ПАК (АК 25 мас. %) — 45,7 г/г. Полученные значения степени набухания связаны с образованием в водном растворе щелочи — соли (полиакрилата натрия), которая является сильным электролитом [4]. Взаимное отталкивание карбоксильных групп () приводит к растяжению полимерной сетки, способствующей высокой способности к набуханию. В нейтральной среде наблюдались более низкие значения равновесной степени набухания. Для ПАК (АК 15 мас. %) значение составило 25,8 г/г, для ПАК (АК 20 мас. %) — 21,6 г/г, а для ПАК (АК 25 мас. %) — 18,4 г/г. Резкое снижение связано с низкой способностью акриловой кислоты к электролитической диссоциации. При наименьшем значении рН водного раствора наблюдались минимальные равновесные степени набухания образцов гидрогеля. Для ПАК (АК 15 мас. 15 %) значение составило 6,2 г/г, для ПАК (АК 20 мас. %) — 5,2 г/г, а для ПАК (АК 25 мас. %) — 4,3 г/г. Низкие значения связаны с подавленной ионизацией карбоксильных групп, что приводит образцы в сколлапсированное состояние.

На значение равновесной степени набухания оказывает влияние также степень сшивки гидрогелей ПАК. Степень сшивки определяется количеством сшивок в гидрогеле между линейными полиакриловыми цепями и поперечными МБАА звеньями. Расчет значений вели по результатам степеней набухания образцов в кислой среде (рН 3) с различной концентрацией HCl. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Зависимость равновесной степени набухания гидрогелей ПАК от степени сшивки

АК мас. %

(число мономеров между сшивками)

(HCl)

()

(NaOH)

15

110

6,2

25,8

63,0

20

70

5,2

21,6

52,5

25

60

4,3

18,4

45,7

Полученные данные показывают возрастание значений степени сшивки (снижение числа мономеров АК между сшивками) при увеличении концентрации водного раствора АК, из которого были синтезированы гидрогели ПАК. При возрастании степени сшивки наблюдается снижение значений равновесных степеней набухания образцов, что связано с образованием большего количества сшивок и переплетений мономеров в структуре, препятствующих набуханию. Снижение степени сшивки, кроме большего растяжения сетки, нередко приводит к разрыву цепей, что способствует дополнительному возрастанию степени набухания.

После набухания было произведено высушивание образцов на воздухе при комнатной температуре (22). Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Массы исходных образцов ПАК (до набухания врастворах сразными значениями рН) ипосле их высушивания

Масса образца

(АК 15 мас. %)

(АК 20 мас. %)

АК 25 мас. %

HCl

HCl

HCl

До набухания

0,025

0,030

0,030

0,042

0,040

0,040

0,055

0,070

0,056

После высушивания

0,027

0,032

0,060

0,045

0,042

0,072

0,058

0,073

0,118

Обратимость процесса набухание/сжатие наблюдается для образцов, набухавших в кислой (рН = 2) и нейтральной (рН = 6) средах. Разница масс полностью высушенных образцов до набухания и после высушивания не превышает 10 %. Небольшое увеличение массы связано с наличием связанной воды в структуре гидрогеля. Обратимость процесса набухания в щелочной среде (рН = 11) не наблюдается, что связано с образованием соли — полиакрилата натрия. В данном случае масса высушенного образца после набухания примерно в 1,5–2 раза больше массы исходного образца гидрогеля, поскольку ионы Na+ имеют больший молекулярный вес по сравнению с Н+.

Механические характеристики гидрогелей ПАК (АК 15, 20, 25 мас. %) и их зависимость от степени сшивки были определены в режиме одноосного сжатия образцов, равновесно набухших в дистиллированной воде, до их полного разрушения. В результате испытаний были определены прочность (), модуль упругости (G) и относительная деформация при разрушении образцов (), которые представлены в таблице 3.

Таблица 3

Механические характеристики гидрогелей ПАК зависимости от степени сшивки

Образец

Прочность,

, kПа

Модуль упругости, G, kПа

Деформация при разрушении, , %

ПАК (15 %)

12 ± 4

2 ± 1,5

65 ± 10

ПАК (20 %)

29 ± 3

4 ± 2,0

60 ± 5

ПАК (25 %)

36 ± 2

15 ± 1,5

40 ± 3

С увеличением степени сшивки происходит рост значений прочности, жесткости и упругости образцов гидрогелей. За счет большего количества сшивок гидрогель способен выдерживать большие нагрузки без разрушения по сравнению с образцами, характеризующимися меньшей степенью сшивки.

Аналогично с увеличением степени сшивки гелей возрастает и модуль упругости образцов. Увеличение модуля упругости и снижение относительной деформации при разрушении с увеличением степени сшивки свидетельствует об увеличении жесткости и, следовательно, незначительном снижении эластичности образца. Возрастание хрупкости образцов в данном случае объясняется образованием различных дефектов структуры, количество которых возрастает при увеличении степени сшивки.

В данной работе были синтезированы гидрогели ПАК из водных растворов АК кислоты разной концентрации (АК 15, 20, 25 мас. %) и исследованы их механические свойства и кинетика набухания образцов с расчетом равновесной степени набухания. Установлено, что с увеличением значения рН раствора возрастает степень набухания гидрогеля. Вклад в набухание вносит также степень сшивки, с ростом которой равновесное значение набухания снижается. Также были определены механические характеристики ПАК (АК 15, 20, 25 мас. %). Показано, что с увеличением степени сшивки происходит увеличение прочности, модуля упругости и жесткости образцов.

Литература:

  1. Полиэлектролитные гидрогели: теоретические аспекты, перспективы практического использования / Т. В. Будтова, И. Э. Сулейменов, С. Я. Френкель // ЖПХ. — 1997. — Т. 71, вып. 4. — С.715–731.
  2. Li, J. Electrochemical properties of graphene nanosheets/polyaniline nanofibers composites as electrode for supercapacitors / J. Li, H. Xie, Y. Li, J. Liu, Z. Li // Journal of Power Sources. — 2011. — V. 196. — P. 10775–10781.
  3. Shahinpoor, M. Artificial Muscles: applications advanced polymeric nanocomposites [Текст] // M. Shahinpoor, K. J. Kim, M. Mojarrad — London.: Taylor & Francis Group, 323–328 р.
  4. Власов П. В. Электроактивные композиционнные системы на основе полианилина и гидрогелей полиакриламида и полиакриловой кислоты: дис.... канд. физ-мат. наук: 02.00.06 / П. В. Власов; ИВС РАН. — СПб., 2016. — 115 с.
Основные термины (генерируются автоматически): ПАК, сшивка, набухание, гидрогель, набухание гидрогелей, SIGMA-ALDRICH, SIGMAALDRICH, акриловая кислота, полиакриловая кислота, водный раствор АК.


Ключевые слова

механические свойства, полиакриловая кислота, гидрогели, степень сшивки, степень набухания

Похожие статьи

Электроактивность композиционных систем на основе гидрогелей полиакриловой кислоты и полипиррола

В статье рассматривается получение композитов на основе гидрогелей полиакриловой кислоты (ПАК) и электропроводящего полимера — полипиррола (ППир) — 2-стадийным методом окислительной полимеризации. Определены значения электропроводности композитов и в...

Поиск оптимальных условий образования твердых растворов замещения в системе SnSe-PbSe с учетом степени превращения солей металлов в растворе

В данной статье описан поиск оптимальных условий образования твердых растворов замещения в системе SnSe-PbSe. Результаты исследования показали возможность совместного образования селенидов олова и свинца из аскорбатно-тартратной реакционной смеси для...

Результаты исследования и лабораторных испытаний многокомпонентных ингибиторов коррозии стали полимерного типа на основе фосфорсодержащих соединений и полиэлектролитов

В статье представлены результаты исследования и лабораторных испытаний многокомпонентных ингибиторов коррозии стали полимерного типа, на основе различных фосфорсодержащих соединений и полиэлектролитов электрохимическими методами и определение степени...

Изучение физико-химических характеристик госсиполовой смолы и её модифицированных форм

В статье приведены результаты исследования по изучению физико-химических характеристик госсиполовой смолы и её модифицированных форм. Современными физико-химическими методами определено, в составе госсиполовой смолы присутствуют полифенолы, жирные ки...

Исследование влияния гуминовых кислот и их модификаций на процесс электровосстановления кислорода

Разработан способ химического модифицирования гуминовых кислот (ГК) с известными биоактивными веществами. Приведены экспериментальные исследования влияния модифицированных ГК на процесс электровосстановления кислорода (ЭВК) методом катодной вольтампе...

Особенности разложения газогидрата в пористой среде

Решена задача о разложении газогидрата в пористой среде в результате отбора газа. Показано, что в зависимости от исходных параметров пористой среды и интенсивности отбора газа возможны различные режимы диссоциации газогидрата. Установлены критические...

Разработка композиционного материала с пониженной горючестью на основе эпоксидной смолы ЭД-20 и гидроксосиликата магния

В статье приведено исследование влияния гидроксосиликата магния в качестве наполнителя на горючесть эпоксидной смолы. Настоящее исследование включает синтез гидроксосиликата магния, разработку композиций на основе эпоксидной смолы и определение скоро...

О возможности получения металлического кальция различными восстановителями

Исследована возможность получения металлического кальция различными термическими методами, а именно — методом диссоциации карбида кальция в вакууме, с помощью газовых восстановителей и металлотермическим восстановлением оксида кальция. Показано, что ...

Разработка катализаторов для синтеза N-винилморфолина

Разработаны каталитические системы реакции ацетилена морфолином и получены наноструктурные матрицы активированного угля, а также выявлены исходные размеры активированного угля, которые использовались как носители катализатора для синтеза N-винилморфо...

Получение атмосферостойкого полимерного материала с магнитными свойствами

В статье описывается проведение работы по выбору оптимального соотношения составляющих для получения атмосферостойкого полимерного материала с магнитными свойствами. Построены кривые, отражающие изменение вязкостных свойств магнитного покрытия во вре...

Похожие статьи

Электроактивность композиционных систем на основе гидрогелей полиакриловой кислоты и полипиррола

В статье рассматривается получение композитов на основе гидрогелей полиакриловой кислоты (ПАК) и электропроводящего полимера — полипиррола (ППир) — 2-стадийным методом окислительной полимеризации. Определены значения электропроводности композитов и в...

Поиск оптимальных условий образования твердых растворов замещения в системе SnSe-PbSe с учетом степени превращения солей металлов в растворе

В данной статье описан поиск оптимальных условий образования твердых растворов замещения в системе SnSe-PbSe. Результаты исследования показали возможность совместного образования селенидов олова и свинца из аскорбатно-тартратной реакционной смеси для...

Результаты исследования и лабораторных испытаний многокомпонентных ингибиторов коррозии стали полимерного типа на основе фосфорсодержащих соединений и полиэлектролитов

В статье представлены результаты исследования и лабораторных испытаний многокомпонентных ингибиторов коррозии стали полимерного типа, на основе различных фосфорсодержащих соединений и полиэлектролитов электрохимическими методами и определение степени...

Изучение физико-химических характеристик госсиполовой смолы и её модифицированных форм

В статье приведены результаты исследования по изучению физико-химических характеристик госсиполовой смолы и её модифицированных форм. Современными физико-химическими методами определено, в составе госсиполовой смолы присутствуют полифенолы, жирные ки...

Исследование влияния гуминовых кислот и их модификаций на процесс электровосстановления кислорода

Разработан способ химического модифицирования гуминовых кислот (ГК) с известными биоактивными веществами. Приведены экспериментальные исследования влияния модифицированных ГК на процесс электровосстановления кислорода (ЭВК) методом катодной вольтампе...

Особенности разложения газогидрата в пористой среде

Решена задача о разложении газогидрата в пористой среде в результате отбора газа. Показано, что в зависимости от исходных параметров пористой среды и интенсивности отбора газа возможны различные режимы диссоциации газогидрата. Установлены критические...

Разработка композиционного материала с пониженной горючестью на основе эпоксидной смолы ЭД-20 и гидроксосиликата магния

В статье приведено исследование влияния гидроксосиликата магния в качестве наполнителя на горючесть эпоксидной смолы. Настоящее исследование включает синтез гидроксосиликата магния, разработку композиций на основе эпоксидной смолы и определение скоро...

О возможности получения металлического кальция различными восстановителями

Исследована возможность получения металлического кальция различными термическими методами, а именно — методом диссоциации карбида кальция в вакууме, с помощью газовых восстановителей и металлотермическим восстановлением оксида кальция. Показано, что ...

Разработка катализаторов для синтеза N-винилморфолина

Разработаны каталитические системы реакции ацетилена морфолином и получены наноструктурные матрицы активированного угля, а также выявлены исходные размеры активированного угля, которые использовались как носители катализатора для синтеза N-винилморфо...

Получение атмосферостойкого полимерного материала с магнитными свойствами

В статье описывается проведение работы по выбору оптимального соотношения составляющих для получения атмосферостойкого полимерного материала с магнитными свойствами. Построены кривые, отражающие изменение вязкостных свойств магнитного покрытия во вре...

Задать вопрос