III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИДРОГЕЛЯ
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность исследования. В последние годы в развитие химических технологий позволило получать большое число различных полимеров. Одним из быстро развивающихся направлений в этой области связано с полимерными гидрофильными гелями (гидрогелями). Этот вид полимерных гелей обладает сверхвысокой, по сравнению с другими материалами, способностью к адсорбции воды, водных растворов, и других веществ. Они биологически неактивны, имеют плотность близкую к плотности человека. Эти свойства полимерных гелей активно используются как наполнители в подгузниках, хирургических салфетках, мягких стельках. Они нашли широкое применение в химической промышленности при осушке газов, используются в сельском хозяйстве для получения влагоудерживающего грунта. В медицине гидрогели используют для изготовления линз, также считаются перспективным использование полимерных гелей для создания имплантатов нового поколения. В последнее время доступность гидрогеля существенно возросла, и сегодня, например, шарики из гидрогеля можно купить практически в любом цветочном магазине или заказать через Интернет.
Вместе с тем проведенный нами анализ направлений использования гидрогелей в современном мире показал, что наибольшее распространение получили лишь те области его использования, которые ориентируются на его адсорбционные свойства. Другие же физические свойства гидрогелей практически в современной научной литературе не рассматриваются [8], в отличие от других видов полимеров [2]. В связи с этим возникает противоречие между нераскрытым потенциалом гидрогеля как современного объекта ноосферы, и все возрастающей потребностью современного технологичного мира в использовании новых материалов. В связи с этим актуальным является исследование физических свойств гидрогелей, которые в последующем могут быть использованы в технологических процессах и оборудовании.
Проблема исследования заключаетсявопределениифизических свойств гидрогелей.
Объект исследования: бытовые гидрогели на основе полиакриламида.
Предмет исследования: физические свойства гидрогеля.
Цель работы: экспериментально исследовать различные физические свойства гидрогеля.
Гипотеза исследования: если провести экспериментальное исследование физических свойств полиакриламидного гидрогеля, то возможно определение направлений его использования в различных технологических процессах.
Задачи исследования:
-
Провести анализ научных источников по свойствам и применению гидрогелей.
-
Экспериментально исследовать адсорбирующие свойства гидрогеля.
-
Экспериментально исследовать механические свойства гидрогеля.
-
Экспериментально исследовать оптические свойства гидрогеля.
-
Экспериментально исследовать электрические свойства гидрогеля.
-
На основе опытных данных предложить направления использования физических свойств гидрогеля в различных областях техники.
Основным методом исследования являются физический эксперимент.
2. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОГЕЛЯ
2.1. Строение и свойства гидрогелей
Гидрогель – собирательное название гидрофильных полимеров. В последнее время распространение получили гидрогели на основе полиакриламида. Пористая структура взаимосвязанных пустот создаёт поверхность до 80 квадратных метров на 1 грамм. Большая площадь внутренней поверхности и особое строение молекул гидрогеля позволяет успешно использовать его в качестве мощного адсорбента [4].
Характерной отличительной чертой полимерных молекул является их способность образовывать полимерные гели. Полимерные гели представляют собой системы полимер-растворитель, в которых существует пространственная сетка из сшитых полимерных молекул, способная удерживать большое количество растворителя. На воздухе полимерные гели сохраняют свою форму.
Взаимодействие полимеров с другими веществами практически всегда происходит в присутствии растворителя. Набухший в растворителе полимер – это уже не вещество, а система, состоящая, по крайней мере, из двух веществ: полимера и растворителя. Набухание и последующее растворение полимера происходит только в том случае, когда между полимером и растворителем наблюдается сродство.
В зависимости от природы полимера и свойств растворителя свойства полимерные гели могут изменяться в широких пределах. Это позволяет использовать их для решения разнообразных прикладных задач, и они уже давно нашли применение в различных областях жизнедеятельности человека [8].
2.2. Применение гидрогелей
Полиакриловые гели используются для гидроизоляции, подавления фильтрации воды, стабилизации и укрепления несвязных грунтов. Составы представляют собой двухкомпонентные системы, состоящие из низковязких жидкостей, которые после смешивания через некоторое время превращаются в прочный эластичный гель. Данные гелеобразующие составы применяются при подавлении водопритока, проходке тоннелей, гидроизоляции подземных конструкций из бетона и камня, герметизации трещин в бетоне и породных массах.
Способность гелей к коллапсу может быть использована для создания обратимых катализаторов и биокатализаторов, если молекулы катализатора или фермент иммобилизованы внутри сетки. Действие таких катализаторов легко прекратить, вызвав коллапс геля, и затем восстановить их активность, вызвав набухание геля. Также гель может быть использован как микронасос для удаления продуктов реакции из раствора. Принцип действия подобного микронасоса заключается в циклическом набухании и сжатии, в результате которых жидкость перекачивается то в поры геля, то из них в окружающий раствор. Для этой цели может использоваться термочувствительный гель, циклическое набухание и сжатие которого вызывается небольшими циклическими изменениями температуры вблизи порога коллапса.
Гели могут использоваться в качестве носителя для контролируемого выделения лекарств [5].Полимерные матрицы уже давно используют для создания новых лекарственных форм. Это позволяет обеспечить пролонгированное действие лекарства, которое медленно выделяется в организм из полимерного носителя. Однако полимерная матрица может не только контролировать скорость выделения лекарства, но и обеспечить его доставку непосредственно к тому участку организма, который в нем нуждается. Для создания систем направленного транспорта лекарственных веществ часто используют тот факт, что пищеварительный тракт человека содержит отделы, сильно различающиеся по pH. Например, в желудке кислая среда, в кишечнике близкая к нейтральной. Поэтому в качестве носителей лекарственных средств часто используют pH-чувствительные гели. Гель подбирается таким образом, чтобы он начинал набухать и отдавать лекарства в том месте организма, где это необходимо [6].
Гидрогели используют для осушки воздуха во влажных помещениях, для осушки добываемого природного газа, для удаления воды из масел. Гидрогели используют в качестве влагопоглотителей в станках, оптических приборах, кожаных изделиях; широко используется в химической промышленности и фармакологии для разделения смесей [7].
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОГЕЛЕЙ
3.1. Исследование адсорбирующих свойств гидрогеля
Адсорбция – поглощение какого-либо вещества твердым телом или поверхностным слоем жидкости [1]. Адсорбция происходит подобно впитыванию воды губкой для мытья посуды.
В нашем исследовании изучались закономерности адсорбции шариками гидрогеля, предназначенными для создания аквагрунта, различных водных растворов. Этот этап исследования включал изучение следующих вопросов:
1. Изучение скорости поглощения воды гидрогелем при различных температурах.
2. Изучение поглощения гидрогелем растворов поваренной соли, пищевой соды, сахара и перманганата калия.
3.1.1. Исследование зависимости массы и диаметра
шарика гидрогеля от времени
Для определения зависимости массы и размеров растущего в воде шарика гидрогеля, был разработан следующий эксперимент.
В опыте использовались десять шариков гидрогеля. В начале опыта методом рядов был определен начальный диаметр (рис.1) и масса (рис.2) сухого шарика гидрогеля.
После этого шарики гидрогеля помещались в стакан с водой комнатной температуры (рис.3). Для измерения времени использовался электронный секундомер. Спустя некоторое время, когда шарики начинали меняться в размерах (рис.4), они извлекались из воды на впитывающую воду салфетку, после чего определялся диаметр шариков (рис.5) и их масса. Эта процедура повторялась до тех пор, пока рост шариков не прекращался.
По полученным данным были построены графики зависимости массы шарика от времени (рис.6) и диаметра шарика от времени (рис.7).
Рис.6
Рис.7
По полученным графикам можно заметить, что рост шариков является нелинейным процессом. Это можно объяснить тем, что на начальных стадиях роста шарика молекулы воды адсорбировались ближайшим к поверхности слоем молекул гидрогеля. По мере увеличения толщины внешнего слоя гидрогеля увеличивается расстояние, а соответственно и время, необходимое для того, чтобы молекула воды попала в область гидрогеля еще не насыщенного водой. В результате этого с течением времени скорость роста замедляется. Подобное поведение шариков гидрогеля указывает на то, что их рост относится к так называемым переходным физическим процессам.
Полученные экспериментальные значения также позволили определить плотность сухого гидрогеля (1400 кг/м3), и его плотность после завершения процесса адсорбции воды (1058 кг/м3).
3.1.2. Изучение скорости поглощения воды гидрогелем
при различных температурах
Изучение скорости поглощения воды гидрогелем при различных температурах происходило следующим образом.
Для проведения опыта были подобраны три примерно одинаковых шарика из гидрогеля, диаметром 3 мм каждый (рис.8). Шарики опускались в сосуды с водой различной температуры: первый шарик помещался в воду комнатной температуры (25°С), второй – в воду, температура которой поддерживалась при температуре 50°С, третий шарик помещался в кипящую воду (100°С).
Через определенное время измерялся диаметр каждого шарика, и результаты заносились в таблицу. По результатам измерений были построены графики зависимости диаметра шарика гидрогеля от времени при различных температурах (рис.9).
Рис.9
Из полученных графиков видно, что шарик, находящийся в воде комнатной температуры, растет медленнее, чем шарики, находящиеся в горячей воде. Из этого можно сделать вывод, что скорость адсорбции гидрогеля зависит от температуры раствора.
Из графиков также видно, что скорости роста шариков в горячей воде при 50°С и 100°С близки, из чего можно сделать вывод о том, что скорость поглощения воды гидрогелем ограничивается некоторым максимальным значением, определяющимся строением гидрогеля.
При проведении этого исследования было также обнаружено, что в воде при 100°С шарик гидрогеля разрушился примерно на 90-ой минуте наблюдения (рис.10). Это можно объяснить тем, что поглощенная горячая вода создала внутри шарика большое давление, разорвавшее его. Этот процесс подобен взрыву резинового шарика, когда в него надувают слишком большое количество воздуха.
В ходе проведения опыта нами также проводилась фотосъемка растущих шариков гидрогеля (рис.11).
Рис.11
На фотографиях видно, что поверхность шарика гидрогеля не всегда остается сферической, и становится гладкой лишь тогда, когда шарик достигает своего максимального размера и перестает расти.
3.1.3. Исследование адсорбции гидрогелем водных
растворов различных веществ
В нашем исследовании мы также изучали поглощения гидрогелем водных растворов поваренной соли, пищевой соды, сахара и перманганата калия. Для этого одинаковые шарики гидрогеля помещались в сосуды с водой, в которой были растворены указанные вещества.
Результаты опытов показали, что наличие в воде сахара и перманганата калия не влияют на максимальный размер шарика (максимальный диаметр 15 мм), однако в растворе марганцовки шарик приобретает красный цвет, что говорит о том, что поглощается не только вода, но и сама марганцовка. Аналогичные выводы можно сделать и для раствора сахара.
Сравнение объемов шарика в начале опыта и в конце показывает, что в процессе адсорбции объем шарика увеличивается более чем в 100 раз, что также подтверждает хорошие адсорбционные качества гидрогеля.
Изучение роста шариков гидрогеля в водных растворах поваренной соли и соды показало, что шарик не достигает своего максимального размера. Это, возможно, объясняется взаимодействием соли и соды с гидрогелем, которое приводит к ухудшению адсорбирующих свойств.
3.2. Исследование механических свойств гидрогеля
В ходе исследования нами также изучались механические свойства шариков гидрогеля после поглощения ими воды. Исследования позволяют сделать следующие выводы:
1) Шарики из гидрогеля могут выдерживать деформацию сжатия, при которой размер шарика уменьшается в 3 раза в направлении деформации. При большей деформации шарик разрушается. Подобные свойства характерны для резины, что позволяет проводить аналогию между упругими свойствами гидрогеля и резины.
2) Упругие свойства гидрогеля также хорошо проявляются, если бросить шарик на твердую поверхность с некоторой высоты. Шарик отскакивает подобно шарику из каучука.
3) Плотность шарика гидрогеля после поглощения им раствора в основном определяется плотностью этого раствора. Это подтверждает следующий опыт. Если шарик из гидрогеля выращивать в чистой воде, то шарик остается на дне сосуда. Если поместить этот шарик в сосуд с раствором большей плотности (например, в раствор сахара в воде), то шарик останется плавать на поверхности раствора (рис.12).
Изученные в предыдущих опытах свойства гидрогеля позволяет использовать его как достаточно точный гидроподъемник для точного подведения каких либо объектов в нужные части механизмов, либо использовать его как часть гидромеханического манипулятора. Кроме этого механические свойства гидрогеля можно использовать для простейшего индикатора, сигнализирующего об изменении уровня воды в некотором сосуде.
3.3. Исследование оптических свойств гидрогеля
После поглощения гидрогелем воды получается прозрачный шарик, обладающий интересными оптическими свойствами.
Прозрачный шарик гидрогеля представляет собой сферическую собирающую линзу. На фотографиях видно, что шарики гидрогеля позволяют фокусировать свет идущий от лампы (рис.13) и лазерный пучок (рис.14).
Оптические свойства шариков гидрогеля, выращенных в чистой воде и в растворе сахара в воде, отличаются. При поглощении сахара гидрогелевый шарик сильнее начинает преломлять лучи.
В ходе исследования также обнаружилось способность шарика гидрогеля становиться «невидимкой» в воде. Для наблюдения этого эффекта необходимо найти прозрачный шарик гидрогеля и поместить его в чистую воду. После поглощения шариком воды и прекращения роста шарик перестает быть видимым в воде. Его можно заметить лишь по слабой тени его контура на дне сосуда.
Это объясняется тем, что при поглощении шариком гидрогеля воды, он становится более чем на 90% состоять из воды, то есть становится подобным большой капле воды. А каплю в воде не увидеть!
Однако, если в эту воду поместить шарик, выращенный в «сахарной» воде, или цветной шарик, то он будет хорошо заметен (рис.16 и рис.17).
Обнаруженные оптические свойства гидрогелей можно использовать для создания оптических систем с регулируемой оптической силой, в которых показатель преломления линз может изменяться с помощью адсорбции и десорбции растворов гидрогелями.
3.4. Исследование электрических свойств гидрогеля
Для изучения электропроводности гидрогеля была собрана простейшая схема из последовательно соединенных источника тока, светодиода и резистора (рис.18). Если в эту цепь замкнуть через шарик гидрогеля, выращенного в воде, то можно пронаблюдать свечение светодиода (рис.19), свидетельствующее о том, что вещество шарик гидрогеля является электропроводным.
Проведенные эксперименты показали, что электропроводность гидрогеля зависит от размеров шарика (расстоянием между контактами) и площади контакта.
Обнаруженные электропроводные свойства гидрогеля могут использоваться в электрический индикатор на основе шариков из гидрогеля, сигнализирующего об изменении уровня воды в некотором сосуде. Кроме того, существует возможность изготовления источника тока на основе гидрогеля.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В исследовании доказывалась гипотеза о том, что если провести экспериментальное исследование физических свойств полиакриламидного гидрогеля, то возможно определение направлений его использования в различных технологических процессах.
В результате проведенных экспериментальных физических исследований были обнаружены физические свойства гидрогелей, результаты исследования которых, в доступных источниках информации, не приводилось. На основе изученной научной литературы и результатов собственных исследований были сформулированы предложения по использованию физических свойств гидрогелей в работе различных физико-технических устройствах. Это позволяет утверждать, что гипотеза исследования доказана.
В результате проведенного исследования все задачи были решены, цель достигнута.
Проведенное исследование доказало высокую наукоёмкость такого объекта ноосферы как полиакриламидные гидрогели. Их наукоёмкость, с одной стороны, и доступность – с другой, открывают новые перспективы из исследования и использования в науке, технике, быту. Анализ возможных направлений дальнейшего изучения гидрогелей отражены в опубликованной авторами настоящего исследования работе [3].
5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
-
Адсорбция // Физика. Большой энциклопедический словарь / Под ред. А.М. Прохорова. – С. 12.
-
Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Физика в мире полимеров. – М. Наука, 1989. – 208 c.
-
Иванов Ю.В., Иванов О.Ю. Учебные исследования физических свойств гидрогеля // Проблемы учебного физического эксперимента: Сборник научных трудов. Вып. 27. – М.: ИСРО РАО, 2017. – С.75–76.
-
Филиппова О.Е. «Умные» полимерные гидрогели // Природа. – 2005. – № 8.
-
http://medforce.ru/Medicinskie-stati/Perspektivi-i-problemi-ispolzovaniya-polimernix-gidrogeleie-v-medicine.html
-
http://himtehpolimer.ru/products/poly-gels
-
http://silikagel.ru/application-silicagel.htm
-
http://chemgran.ru/fizicheskaya-ximiya-polimernyx-gelej-kurs-lekcij/fizicheskaya-ximiya-polimernyx-gelej-lekciya-4-chto-takoe-geli-gidrofilnyx-polimerov/
16