В чём секрет гидрогеля?



Скачать 146.89 Kb.
Дата31.05.2019
Размер146.89 Kb.
ТипРеферат


Всероссийский конкурс исследовательских работ учащихся

“ЮНОСТЬ, НАУКА, КУЛЬТУРА”


Направление: физика



Тема: «В чём секрет гидрогеля?»
Мякотин Егор
МБОУ СОШ № 7 г. Белгорода
3В класс

Научный руководитель:
Новикова С.Н., учитель, руководитель НОУ

г. Белгород, 2015/2016 учебный год



Содержание


1.

Введение


3

2.

Глава 1 Полимерные гидрогели


5

3.

Глава 2 Впитывание жидкостей


7

4.

Глава 3 Мои эксперименты с гидрогелем


10

5.

Заключение


12

6.

Список литературы


14

7.

Приложения

15


Введение
В последние годы в повседневной жизни появилось много новых полимерных материалов, к их числу относятся и полимерные гели. Еще 20 – 30 лет назад мало кто о них слышал, а сегодня они уже прочно вошли в наш быт.

Летом 2014 года мы купили вазу для цветов, в комплекте с которой шли маленькие жёлтые шарики, похожие на бисер. Сначала их предназначение нам не было понятно, но на упаковке было сказано, что это – гидрогель, и его нужно поместить в воду. Через несколько часов пребывания в воде шарики увеличились в размере в несколько раз, стали слегка прозрачными и упругими на ощупь. Как оказалось, это специальный гидрогель для флористики, его ещё называют аквагрунтом, он бывает всевозможных размеров, форм и цветов. Мы экспериментировали с разными видами гидрогеля, и все они обнаруживали это удивительное свойство, увеличиваться в воде в разы, а затем, после высыхания, возвращаться в первоначальный объём.

Я не мог понять, почему это происходит, и выдвинул гипотезу, что, возможно, секрет кроется в строении гидрогеля. Таким образом, целью работы стало выяснить, чем объясняется способность гидрогелей к набуханию.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Собрать информацию о гидрогелях

2. Изучить строение гидрогеля и его свойства

3. Узнать, как происходит процесс поглощения воды разными материалами, в том числе и гидрогелем.

4. Провести эксперименты

5. Сделать выводы

Актуальность: Применение полимерных гидрогелей раскрывает колоссальные перспективы в совершенствовании современных технологий и возможности делать их более практичными и экономичными.

Объектом исследования стали полимеры, а предметом – полимерные гидрогели.

Были выбраны следующие методы исследования:



  1. Теоретический (изучение и анализ литературы по теме).

  2. Эмпирический (наблюдение и эксперимент).

В работе


1. Рассматриваются понятия «мономер», «полимер», «макромолекула», «полимерный каркас», «диффузия», «капиллярные явления», «набухание».

2. Даётся определение понятию «полимерный гидрогель».

3. Рассматривается способы впитывания жидкостей разными материалами.

4. Изучается способность гидрогелей набухать под воздействием различных условий.

5. Рассматривается практическое использование полимерных гидрогелей.

6. В приложениях даны результаты экспериментов с гидрогелями.



Глава 1 Полимерные гидрогели

В последние десятилетия особое место среди полимерных материалов занимают полимерные гидрогели, которые с каждым годом все больше внедряются на практике в различных отраслях жизнедеятельности человека.

Эти соединения способны многократно впитывать в себя большое количество воды (до 2 кг на 1 г сухого полимера), удерживать её, а затем отдавать по мере необходимости. Это уникальное свойство гидрогеля объясняется его структурой.

Полимерные гидрогели – это сшитые полимеры на основе макромолекул, способные к набуханию в воде и водных растворах [1]. Благодаря этому свойству их называют молекулярными губками

Остановимся немного подробнее на этом определении, так как оно вызвало ряд вопросов (новых исследований):



  1. Что такое «сшитый полимер»?

  2. Что такое «макромолекула»?

  3. Как происходит процесс поглощения воды разными материалами?

В ходе поисков ответов на эти вопросы я выяснил следующее [3]:



Полимеры (от греч. «поли» - много) получили такое название из-за своей сложной структуры: эти химические вещества создаются путем многочисленных связей между атомами и состоят из длинных макромолекул.

Полимеры имеют как органическое (белки, уникальные цепочки ДНК, целлюлоза), так и неорганическое происхождение (капрон, нейлон, полипропилен, пластмасса, стекловолокно и др.).



Макромолекула, буквально – большая молекула,  - молекула полимера; построена по принципу повторения структурных единиц — мономерных звеньев. Мономер (от греческого «моно» - один и «мерос» «часть») является атомом или небольшой молекулой, которая может образовывать полимерные связи.


Полимеры могут быть трёхмерными, или сшитыми, когда длинные полимерные цепи соединены друг с другом поперечными связями (сшивками) в единую пространственную сетку:




Так устроен полимерный гидрогель. Но чем объясняется его способность к набуханию?

Глава 2 Впитывание жидкостей

В природе существует несколько механизмов поглощения жидкости материалами, но наиболее распространены из них два:

1. Диффузия.

Диффузия – это взаимное проникновение соприкасающихся веществ вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твердых телах, наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее - в жидкостях, еще медленнее - в твердых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Диффузия - результат хаотичного движения всех молекул без всякого механического воздействия:




Диффузия широко распространена в природе: смесь газов, из которых состоит атмосфера, распространение запахов, питание клеток организмов, смешивание жидкостей и т.д.
2.Капиллярные явления

Капиллярность – это движение жидкости по узкому отверстию, вызванное поверхностным натяжением между жидкостью и окружающим ее материалом. При соприкосновении жидкости с твердой стенкой сосуда, силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют ее подниматься по стенке сосуда, вследствие чего примыкающий к стенке участок поверхности жидкости принимает вогнутую форму.

Чаще всего это явление наблюдается в вертикально поставленных узких стеклянных трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах:




Капиллярные явления чрезвычайно важны для растений и сохранения воды в почве. По капиллярным ходам, вода поднимается к корневой системе растений и снабжает их необходимой влагой и питательными солями.

В быту капиллярные явления используют при самых разнообразных обстоятельствах: применение полотенец, салфеток возможно только благодаря наличию в них капилляров. В технике как один из способов подвода смазки к деталям машин применяют иногда фитильный способ подачи масла, который обусловлен наличием в фитилях капиллярных каналов. В строительном деле приходится учитывать подъем влаги из почвы по порам строительных материалов.


3. Механизм поглощения воды гидрогелем

Что же происходит при контакте полимерного гидрогеля с водой? При контакте полимера с растворителем происходит его набухание [5].

Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения растворителя (воды) веществом (в нашем случае – полимером), сопровождающийся увеличением массы и объема полимера. 

Изначально полимерные цепочки находятся в свёрнутом состоянии, но под воздействием воды они разворачиваются, и вода проникает внутрь. Причина этому – диффузия: между макромолекулами полимера обычно имеются небольшие пространства, размер которых соизмерим с размером молекул растворителя. Благодаря этому молекулы жидкости достаточно быстро проникают в пространства между макромолекулами, раздвигая молекулярные цепи.




Другими словами, набухание – это процесс одностороннего смешивания, при котором молекулы низкомолекулярного вещества, благодаря большой подвижности, проникают в пространство между молекулами высокомолекулярного вещества.
Таким образом, гидрогели – это структурированные системы, состоящие из двух компонентов:

- непрерывной трёхмерной макромолекулярной сетки, выступающей в роли каркаса,

- и дисперсионной среды (воды), заполняющей пустоты в сетке.

Вещества, способные образовывать макромолекулярную структуру гелей, называются гелеобразователями. К ним относятся как неорганические (диоксид кремния, оксид алюминия), так и органические вещества и их смеси (поливиниловый спирт, полиакриламид, желатин, пектиновые вещества и др.)

В качестве низкомолекулярной дисперсионной среды – наполнителя геля – выступают вода, спирты, углеводороды. Гели с водной дисперсионной средой называются гидрогелями, со спиртовой – алкогелями, с углеводородной – органогелями. [6]



Глава 3 Мои эксперименты с гидрогелем

Способность гидрогелей удерживать значительное количество воды сочетается у них с сохранением свойств, присущих твердым телам: отсутствие текучести, способность сохранять форму, прочность и способность к деформации (пластичность и упругость).

Мы решили проверить это свойство гидрогеля в различных условиях и провели ряд экспериментов в домашних условиях:
Эксперимент № 1 Набухание гидрогеля (Приложение № 1)

Цель: выяснить, сохранит ли гидрогель свои свойства после набухания, а затем полного высыхания.

Вывод: способность гидрогеля неоднократно впитывать и отдавать воду разная у разных видов. Возможно, это зависит от того, какой полимер лежит в основе гидрогеля.
Эксперимент № 2 Выращивание гороха в почве с гидрогелем (Приложение № 2)

Цель: выяснить, действительно ли внесение гидрогеля в почву будет способствовать удержанию влаги.

Вывод: внесение гидрогеля в почву действительно способствовало сохранению влаги.

После того, как горох завял, мы аккуратно освободили корни и увидели, что они проросли в гидрогель.



Эксперимент № 3 Разрезание набухшего гидрогеля (Приложение № 3)

Цель: выяснить, сохранит ли свои свойства впитывать воду разрезанный и затем высушенный гидрогель.

Вывод: гидрогель разбух после разрезания и высыхания, но не достиг первоначального объёма.
Эксперимент № 4 Замораживание набухшего гидрогеля (Приложение № 4)

Цель: выяснить, повлияет ли замораживание на способность гидрогеля впитывать воду после размораживания и полного высыхания.

Вывод: оба вида гидрогеля значительно разбухли, почти достигнув первоначальных объёмов, что свидетельствует о хорошей способности данных видов гидрогеля восстанавливать свои свойства после замораживания.
Эксперимент № 5 Взаимодействие гидрогеля с другими жидкостями (Приложение № 5)

Цель: выяснить, сможет ли гидрогель впитать другие жидкости (йод, зелёнку, молоко, солёную воду, акварельную краску и марганцовку)

Вывод: с разными жидкостями гидрогель взаимодействует по-разному:

- гидрогель может разбухнуть и не окраситься или окраситься слегка (солёная вода, частично молоко, краска),

- не разбухнуть, но окраситься (йод, зелёнка),

- значительно разбухнуть и окраситься (марганцовка).



Заключение

В нашей стране работы по созданию сильно набухающих полимерных гидрогелей были начаты в начале восьмидесятых годов XX века в Институте химической физики АН СССР под руководством профессора К. С. Казанского.

Уникальные свойства гидрогелей предопределяют широкий диапазон областей их применения:

- в производстве средств личной гигиены, прежде всего, подгузников;

- в строительстве (гидроразбухающая герметизация),

- в производстве упаковки, проводов и кабелей, средств пожаротушения,

- в медицине (мягкие контактные линзы; устройства доставки лекарственных средств в организме непосредственно к очагу поражения)

- в сельском хозяйстве и садоводстве (это и декоративные гидрогели для флористики, и гидрогели для выращивания рассады и удержания воды в почве).

Появление новых областей применения полимерных гидрогелей выдвигает новые требования к их свойствам. В последнее время усилилась необходимость применения гидрогелей, которые наряду с гидрофильными свойствами обладают и другими характеристиками, такими как газопроницаемость, высокая механическая прочность материала в гид-ратированном состоянии, совместимость с биологическими тканями, оптическая прозрачность, электропроводность и т.п. Соединение в одном материале указанных свойств позволяет создавать уникальные полимерные изделия.
В результате проделанной работы я пришёл к следующим выводам:

1. Способность гидрогеля впитывать воду объясняется его строением, таким образом, моя гипотеза подтвердилась.

2. Гидрогель может оказаться эффективен в решении очень многих вопросов.
Человек постоянно совершенствует используемые материалы, ищет новые области их применения. С полным основанием это относится и к полимерным гидрогелям. Как оказалось, изучение их свойств еще далеко от завершения, а те характеристики, которые выявляются в экспериментах, наводят на мысль, что этим молекулярным губкам, «умным» материалам, обеспечено широчайшее применение в будущем.

Источники информации:


  1. Иржак В.И., Розенберг Б.А., Ениколопян Н.С. Сетчатые полимеры: синтез, структура и свойства. -Москва: Наука, 1979. -248 с.

  2. http://www.xumuk.ru/

  3. http://www.kakprosto.ru/kak-81470-chto-takoe-monomer#ixzz39zcMqURD

  4. dic.academic.ru

  5. http://studopedia.net/3_19306_nabuhanie-polimerov.html

  6. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C3%E5%EB%E8


Приложение № 1

Эксперимент № 1
Набухание гидрогеля
Цель: выяснить, сохранит ли гидрогель свои свойства после набухания, а затем полного высыхания.


  1. Декоративный гидрогель (аквагрунт) «Агрикола»



Этот вид гидрогеля сохранял свои свойства набухать в воде при неоднократном высыхании, и именно в него проросли корни гороха.



  1. Декоративный гидрогель «Изумруд». Кристаллы, будучи помещёнными в воду, тут же начинали терять окраску (шёл процесс диффузии).



Через 12 часов кристаллики гидрогеля разбухли в несколько раз:

Затем мы высушили и вновь залили водой гидрогель, и почти все образцы данного гидрогеля (использовались кристаллы разных цветов) проявили неспособность восстанавливать свои свойства после высыхания:



Кроме того, при перенасыщении водой в этом гидрогеле начинались обратные процессы, когда разбухший гидрогель в воде стал сжиматься, уменьшаясь в размерах:

Это вызвано усилением притяжения между звеньями сетки, что приводит к вытеснению растворителя из геля в наружный раствор. В итоге объем геля скачкообразно уменьшается в сотни раз. Такое резкое уменьшение объема геля при небольшом изменении внешних условий называется коллапсом.

Вывод: способность гидрогеля неоднократно впитывать и отдавать воду разная у разных видов. Возможно, это зависит от того, какой полимер лежит в основе гидрогеля.

Приложение № 2

Эксперимент № 2
Выращивание гороха в почве с гидрогелем
Цель: выяснить, действительно ли внесение гидрогеля в почву будет способствовать удержанию влаги.
14.09.2014г. – посадка гороха. Горох был высажен в 4 ёмкости, в двух из которых в почву был добавлен гидрогель (ёмкости № 1 и № 2).




Грох выращивался в одинаковых условиях, полив осуществлялся одновременно, по 50 мл воды в каждую ёмкость. Ростки появились 15-22.09.2014г.



В конце октября 2014г. горох, посаженный в почву без гидрогеля (ёмкости № 3, № 4), засох. Горох в ёмкостях № 1 и № 2 рос ещё 2 недели.




Вывод: внесение гидрогеля в почву действительно способствовало сохранению влаги.
После того, как горох завял, мы аккуратно освободили корни и увидели, что они проросли в гидрогель.



Приложение № 3

Эксперимент № 3
Разрезание набухшего гидрогеля
Цель: выяснить, сохранит ли свои свойства впитывать воду разрезанный и затем высушенный гидрогель.
Разрезаем разбухший гидрогель «Изумруд» на кусочки



и даём высохнуть (до полного испарения воды из гидрогеля).



Заливаем высохшие кусочки водой и через сутки видим результат:



Вновь разбухший гидрогель стал гораздо меньше исходного.


То же самое мы проделали с гидрогелем «Агрикола». Результат был похожим:


Вывод: оба гидрогеля разбухли после разрезания и высыхания, но не достигли первоначального объёма.

Приложение № 4

Эксперимент № 4
Замораживание набухшего гидрогеля
Цель: выяснить, повлияет ли замораживание на способность гидрогеля впитывать воду после размораживания и полного высыхания.
Разбухший гидрогель «Изумруд» положили в морозильную камеру на 12 часов. Затем один кусочек был оставлен целым, а другие были раздроблены молотком. Все кусочки полностью высохли:


Через 8 часов после погружения в воду гидрогель снова разбух, почти вернув первоначальный объём:

Гидрогель «Агрикола» показал такие же результаты:


Вывод: оба вида гидрогеля значительно разбухли, почти достигнув первоначальных объёмов, что свидетельствует о хорошей способности данных видов гидрогеля восстанавливать свои свойства после замораживания.

Приложение № 5

Эксперимент № 5
Взаимодействие гидрогеля с другими жидкостями
Цель: выяснить, сможет ли гидрогель впитать другие жидкости.
Для этого мы взяли йод, зелёнку, молоко, солёную воду, акварельную краску и марганцовку и положили в них гранулы бесцветного гидрогеля:

Через 12 часов мы посмотрели на результат:



В йоде и зелёнке гранулы окрасились, но не разбухли. В молоке, солёной воде и акварельной краске они разбухли, но в солёной воде и краске они остались прозрачными (краска не впиталась), а в молоке стали слегка желтоватыми. Самый удивительный результат получился в растворе марганцовки: гранулы разбухли гораздо больше, чем в воде и окрасились.

Через день гранулы, окрашенные йодом, обесцветились, а ёмкость, в которой они находились, стала жёлтого цвета.
Вывод: с разными жидкостями гидрогель взаимодействует по-разному:

- гидрогель может разбухнуть и не окраситься,

- не разбухнуть, но окраситься,

- значительно разбухнуть и окраситься.





Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница