Полимерные гели - уникальные материалы, имеющие ряд необычных свойств. Некоторые гели поглощают воду в количестве, в 400 раз превышающих их собственный вес. Ионогенные гели имеют сорбционную емкость в 2 раза превосходящую емкость ионообменных смол. Связанная вода в гелях может не замерзать до -78 °С. Гели могут изменять свои свойства под воздействием внешних факторов (температуры, электрического тока, рН среды, ионного состава растворов, окружающих гель). Все это делает их привлекательными к использованию в различных сферах промышленности. ООО «ХимТехПолимер», имея опыт синтеза, производства и применения полимерных гелей, предлагает услуги по разработке и производству гелеобразных материалов с заданными свойствами.
Гели являются бинарными (в общем случае многокомпонентными) системами полимер - низкомолекулярная жидкость, в которых полимер, образующий трёхмерную сетку, иммобилизует большее количество жидкости. Гели образуется из растворов полимеров при изменении термодинамических условий или при проведении химической реакции сшивания. Основными реологическими свойствами гелей являются "твёрдое" агрегатное состояние (отсутствие текучести) и высокоэластические свойства.
Гелеобразование обусловлено возникновением в объеме жидкой системы пространственной фазовой или молекулярной сетки (каркаса), которая лишает систему текучести и придает ей некоторые свойства твердого тела (эластичность, пластичность, хрупкость, прочность).
Гели 1-го типа (студни) – гомогенные, аморфные эластичные структурированные системы, состоящие из полимера и низкомолекулярной жидкости. Они представляют собой истинные растворы высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых связаны в пространственные сетки молекулярными силами различной природы. Такие гели характеризуются большими обратимыми деформациями при практически полном отсутствии течения.
Гели 2-го типа – дисперсные системы, образующиеся из золей (микрогетерогенных "коллоидных растворов") при полной или частичной их коагуляции в результате сцепления частиц дисперсной фазы по отдельным точкам поверхности и удерживания (иммобилизации) жидкой дисперсной среды в ячейках образующейся структуры.
Следует отметить, что химические сшивки в гелях первого типа не обязательны. Гели такого типа могут образовываться в системах, где в качестве сшивок выступают локальные области закристаллизованного полимера, либо устойчивые зацепления макромолекул.
Применение гелей.
Суперабсорбенты.
При поливе растений большая часть влаги просачивается в слои почвы, не доступные корневой системе растений, или испаряется. Добавление в почву суперабсорбентов – полимерных гелей, набухающих в воде до 400 раз, позволяет решить эту проблему. Впитывая влагу при поливе, гель постепенно отдает ее растениям. Применение гелей позволяет сократить количество поливов и уменьшает вымывание удобрений из верхних слоев грунта.
Суперабсорбенты можно использовать при выращивании декоративных растений. Для этого необходимо пересадить растение в гель, очистив корни от земли, и заменить горшок на аквариум. Растения, особенно влаголюбивые, прекрасно приживаются в новой, полимерной почве.
Повышение нефтеотдачи.
Повышение нефтеотдачи пластов обеспечивается с помощью гелеобразующих композиций, способных к пространственному структурированию в пористых средах с образованием химически сшитых гелей. Эти композиции обычно представляют собой растворы полимеров и сшивающих агентов в воде с концентрацией, не превышающей 1,5 %. При нагревании в пластах, растворы образуют прочный эластичный гель. Разработки ООО «ХимТехПолимер» в данной области, позволяют создавать сухие смеси, при растворении которых образуются составы, способные к образованию термоустойчивых гелей с заданной скоростью.
Чтобы превратить стакан воды в прочный эластичный гель необходимо всего 1 г состава.
Состав растворяется в воде при 20°С в течение 15 мин.
Строительство.
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.
Мембраны с регулируемой проницаемостью.
Различают два основных механизма прохождения вещества через полимерные мембраны: посредством диффузии в полимерной матрице и посредством диффузии через поры. В случае гидрогелей второй механизм обычно преобладает. Поэтому чем меньше степень набухания геля, тем меньше его проницаемость. Коллапс геля приводит к прекращению диффузии через мембрану. Изготовление мембраны из геля с управляемым фазовым переходом набухание-коллапс позволяет обратимо изменять проницаемость мембраны, варьируя степень набухания геля при помощи тех или иных внешних факторов.
Например, если нагревание ведет к коллапсу геля (термочувствительные гели поли-N-изопропилакриламида или поли-N-акрилоилпирролидина), то проницаемость геля уменьшается с повышением температуры. В то же время проницаемость гелей, нечувствительных к температуре, как, например, геля поли-2-гидроксиэтилметакрилата, растет при нагревании. Таким образом, удалось получить мембраны, проницаемость которых либо повышается, либо понижается с увеличением температуры.
Катализаторы с регулируемой активностью.
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.
Носители для контролируемого выделения лекарств.
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.
"Мягкие" манипуляторы.
Все живые организмы двигаются благодаря изотермическому превращению химической энергии в механическую работу, выражающемуся, например, в сокращение мышц, движение жгутиков или ресничек микроорганизмов. Для моделирования подобных систем могут быть использованы гели на основе "восприимчивых" полимеров .
В настоящее время уже разработаны, так называемые "мягкие" манипуляторы – рука робота с мягкими пальцами из геля, которые могут осторожно брать хрупкие предметы и переносить их не причиняя вреда.