What are hydrogels and what makes them useful materials?

Hydrogels are cross-linked polymers produced through simple procedures using inexpensive materials. They absorb hundreds of times their weight in water and offer useful properties including flexibility, high absorbance, transparency, and thermal insulation. These versatile materials are commonly used in liquid absorbents, sensors, consumer products, and drug delivery applications.

How does the free radical polymerization process create hydrogels?

Free radical polymerization begins when UV light cleaves the carbon-carbon bond in DMPAP initiator, creating highly reactive free radicals. These radicals react with carbon-carbon double-bonds in HEMA monomer to form a polymer backbone, then react with TEGDMA crosslinker to link the chains together. When free radicals are consumed, hydrogel synthesis is complete.

Why do hydrogels swell when exposed to water?

Water molecules enter the cross-linked polymer network and solubilize hydrophilic and ionic species on the polymer backbone. Because water molecules are larger than these solubilized groups, their presence inside the network causes the hydrogel to expand. The cross-links prevent the polymer from dissolving, maintaining the gel structure during swelling.

What is the swelling degree and how is it calculated?

Swelling degree measures how much a hydrogel expands when hydrated. It is calculated using the weight of swollen hydrogels (Ws) and dried hydrogels (Wd). The formula determines the percentage increase in mass, revealing how much water the polymer network can absorb relative to its dry weight.

How does UV exposure time affect hydrogel crosslinking and swelling?

Increased UV exposure time creates more cross-links between polymer molecules, resulting in greater elastic restraining forces on the chains. Hydrogels with longer UV exposure times swell less than those with shorter exposure. For example, a one-minute sample swelled 136 percent, while a five-minute sample swelled only 81 percent.

What role does ethylene glycol play in hydrogel synthesis?

Ethylene glycol serves as a solvent that dissolves the free radical initiator DMPAP and keeps the hydrogel flexible during synthesis. After polymerization, isopropyl alcohol replaces the ethylene glycol in the hydrogel, allowing it to dry quickly while maintaining its structure and preventing collapse.

What are common applications of hydrogels in consumer products?

Hydrogels are used in hospital pads, feminine hygiene pads, and diapers as super-absorbent polymers that swell to absorb fluids up to 800 times their weight. This capability allows manufacturers to create slim, comfortable products. Hydrogels also function as sensors in lawn sprinklers, swelling when soil is wet to trigger shutoff.

Синтез гидрогеля

0 просмотров08:33 мин.

Прегель-раствор был создан в пробирке объемом 1000 μл; материалы, роль в полимеризации и добавляемые количества перечислены в таблицах 1.

Материал	Цель	Структура	Процент моля
2,2-диметокси-2-фенилацетофенон (ДМПАП)	Свободно читаемый инициатор (фотоинициатор)		0.0012
2-Гидроксетилметакрилат (ГЕМА)	Полимерная основа		21.2121
Диметакрилат тетраэтиленгликоля (TEGDMA)	Crosslinker		3.0303
Этиленгликоль (ЭГ)	Растворитель		75.7576

Таблица 1. Гидрогелевые предгель-составляющие, их роль в гидрогелевой свободнорадикальной полимеризации, химическая 2D-полимерная структура и количества, добавляемые в прегелевый раствор.

Синтез

Перед началом синтеза гидрогеля форма для синтеза была собрана из двух стеклянных стекол и трех прокладок из полиолефиновых листов толщиной 520 микрон; эта конфигурация была скреплена зажимами для связывания, как показано на рисунке Рисунок 6. Большие стеклянные стекла были смещены на несколько миллиметров, чтобы создать канал для дозирования предварительного гелевого раствора в форму.
Перед началом синтеза гидрогеля приобретите пробирку объемом 1000 мкл, химические вещества, описанные в таблице 1, микропипетку с чистыми наконечниками и затвердевающую форму (Рисунок 6). Все работы должны выполняться в вытяжном шкафу с надлежащими средствами индивидуальной защиты (СИЗ). СИЗ включают в себя защитные очки или защитные очки, лабораторный халат и защитные перчатки.

Рисунок 6: Форма для синтеза гидрогеля, созданная из двух стеклянных стекол, трех полосок полиолефинового листа толщиной 520 микрон в качестве прокладок и больших связующих зажимов.

Сначала добавьте в пробирку 0,0012 молярного процента 2,2-диметокси-2-фенил-ацетофенона (ДМПАП), твердый фотоинитатор (инициатор свободных радикалов, который инициируется светом).
Добавьте в пробирку 21,2121 молярного процента 2-гидроксетилметакрилата (HEMA), основную молекулу, и 3,0303 моленевого процента тетраэтиленгликоля диметакрилата (TEGDMA), сшивающую молекулу, каждый раз используя новые наконечники для пипетки. TEGDMA будет химически сшивать цепи HEMA в присутствии свободных радикалов, соединяя полимерные цепи в сетчатый полимер.
Перемешайте раствор с помощью вихревой машины до получения однородного раствора.
Отмерьте 0,25 грамма Bromocresol Purple и промойте его в растворе, используя растворитель с содержанием этиленгликоля (EG) 75,7576 моле. Пигмент предназначен только для просмотра (в противном случае гидрогель прозрачен), а EG служит растворителем для растворения инициатора свободных радикалов и сохраняет гибкость гидрогеля.
Перемешивайте раствор с помощью вихревой машины до полного растворения пигмента и получения однородного раствора.
С помощью микропипетки нанесите раствор в форму, совместив кончик микропипетки со смещенным краем больших стеклянных стекол и равномерно впрыскивая предварительно гелевый раствор в центр формы.
Поместите форму на 5 сантиметров ниже УФ-излучающего фонарика (Warson SK66) и облучайте форму в течение одной минуты. Ультрафиолетовое излучение расщепляет связи в инициирующих веществах, превращая их в свободные радикалы, которые затем могут атаковать молекулы полимера и сшивающего агента. При полном объединении в сеть гидрогель должен представлять собой твердое резиновое вещество с желеобразной консистенцией.
Снимите форму со светильника и разберите конфигурацию формы. Снимите гидрогель со стекла предметного стекла.
Промойте гидрогель с обеих сторон деионизированной водой, чтобы удалить любые непрореагировавшие химические вещества и олигомеры из продукта.
Чтобы охарактеризовать, как различное время воздействия ультрафиолетового излучения влияет на степень сшивки и набухающую способность, эту процедуру можно повторить, изменяя девятый шаг. Для определения характеристик раствор подвергали воздействию ультрафиолетового света в течение 1 минуты, 1,5 минуты и 5 минут, в результате чего получалось в общей сложности три гидрогеля.

Характеристика

Степень набухания гидрогеля может быть рассчитана путем сушки, гидратации и последующей повторной сушки полимера.

Поместите готовые гидрогели в емкость со спиртом, таким как изопропиловый спирт, чтобы они были полностью погружены в воду. Оставьте в спирте на 4-8 часов, когда спирт заменит весь этиленгликоль в гидрогеле.
Извлеките гидрогели из спирта и оставьте сохнуть на открытом воздухе, примерно на 30 минут. Спирт испаряется быстрее, чем вода или растворитель, что позволяет гидрогелю сохранять свою структуру.
Взвесьте высушенные гидоли.
Погрузите гидрогели в деионизионную воду не менее чем на 30 минут, пока они полностью не набухнут. Выньте гели из воды, аккуратно вытрите насухо и взвесьте.
Рассчитайте степень набухания с помощью уравнения: , где — вес набухшего полимера, а — вес высушенного полимера.