Введение к работе
Актуальность проблемы
Сильнонабухающие полимерные гидрогели (СПГ) представляют собой полиэлектролитные сетки с низкой плотностью сшивания. СПГ обладают способностью набухать в воде и водных растворах, удерживая в набухшем состоянии значительные их количества - до 104 - 105 мл/г. Это открывает ряд интересных применений СПГ, среди которых -медицина, биотехнология, солнечная энергетика, экология, растениеводство и др.
Своеобразные свойства гидрогелей в набухшем состоянии представляют интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Их изучение, с одной стороны, дает важную информацию о механизмах образования полимерных сеток и особенностях их структуры, с другой, - позволяет предсказать поведение гидрогелей в различных реальных условиях, сопутствующих практическому применению СПГ. Количественное исследование самих закономерностей набухания в этом принципиально новом масштабе создает основу для развития теории полимерных сеток и улучшения ее описательных возможностей.
Большинство известных экспериментальных подходов к измерению физических характеристик сетчатых полимеров в набухшем состоянии в случае СПГ наталкиваются, однако, на значительные грудности, обусловленные, главным образом, их низкой прочностью и упругостью, что требует развития новых методов исследования этих материалов.
Цель работы
Одним из свойств, тесно связанных со структурой полимерных сеток, в мстности, гидрогелей, является давление набухания, изучение которого на примере наиболее типичных СПГ составляло основную іадачу данной работы. В более конретные цели работы входили Разработка инструментальных методов измерения давления набухания, интерпретация получаемых экспериментальных данных с помощью :уществующей теории полимерных сеток, создание алгоритмов для юлучения количественной информации о структуре давления іабухания полиэлектролитных гидрогелей, моделирование набухания идрогелей при различных условиях. Поскольку давление набухания іепосредственно связано с энергетическим состоянием влаги, одержащейся в гидрогелях, было целесообразно попытаться решить в
рамках того же термодинамического подхода некоторые прикладные задачи.
Научная новизна
Разработан принципиально новый метод измерения давления набухания слабосшитых полимерных гидрогелей, позволяющий достаточно точно определять величины давления в диапазоне от 1 до 25 кПа при набухании от 10 до 103 мл/г.
Впервые прямым методом измерены давления набухания серии полиэлектролитных гелей различной степени ионности в широком интервале степени набухания и ионной силы среды. Полученные данные интерпретированы в рамках модели Флори.
Экспериментально исследовано одноосное набухание гидрогелей. Проведено моделирование набухания геля в условиях ограниченного пространства при варьировании параметров сетки и внешних условий.
Научно-практическая ценность
Давление набухания ж непосредственно связано с термодинамическим потенциалом воды в сетке и является, таким образом, самой прямой характеристикой ее энергетического состояния. Данные о термодинамическом потенциале важны, например, при описании поведения гидрогелей в почвенной среде, куда их вводят для повышения влагоемкости и улучшения влагоснабжения растений в условиях засухи. Зависимости от степени набухания позволяют непосредственно оценить долю содержащейся в гидрогеле влаги, которую способны полезно аккумулировать растения, и, как результат этого, прогнозировать эффективность СП Г в различных условиях применения. В дальнейшем возможно построение единых алгоритмов для описания термодинамики и динамики воды в системах гидрогель -почва - растение, что позволит сделать еще более основательные прогнозы.
Давление набухания, являющееся мерой силы действия гидрогеля на преграду, важно также для расчета систем, в которых набухающий в замкнутом пространстве гель используется как "поршень" для регулируемого выделения жидкостей, растворов и т.п.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на 11 Всесоюзном совещании "Биологически активные полимеры и полимерные реагенты для растениеводства" (Звенигород, 1991), Студенческой конференции
4ФТИ (Долгопрудный, 1992), Конференции "Polymer Networks-94" 12th Polymer Networks Group Conference, Прага, 1994).
Публикации
По материалом диссертации опубликовано 4 статьи.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов. Работа ізложена на 111 страницах, содержит 29 рисунков и 4 таблиц. Список штируемой литературы содержит 69 наименований.