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Hydrogel-Synthese

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Hydrogele sind eine vielseitige Klasse vernetzter Polymere, die durch relativ einfache Verfahren mit allgemein kostengünstigen Materialien hergestellt werden. Sie werden häufig für Flüssigkeitsabsorber, Sensoren, Konsumgüter und Arzneimittelabgabe verwendet. Hydrogele können aus Lösung gebildet werden, wobei ein Initiator Monomerie-Wirkstoffe reaktiv macht, um ein Polymer-Rückgrat zu bilden. Eine vernetzungsartige Art bindet dann die Polymerketten miteinander. Ein wichtiger Aspekt dieser Materialien ist, dass sie in Gegenwart von Wasser anschwellen. Aber diese Reaktion kann weiter abgestimmt werden, um Schwellung als Funktion des Salzgehalts zu verbessern, PH oder andere Signale. Hydrogele können in wässrigen oder trockenen Umgebungen eingesetzt werden, mit einer Reihe von nützlichen Eigenschaften wie Flexibilität, hohe Absorption, Transparenz und Wärmedämmung. Dieses Video wird die Synthese und Charakterisierung von Hydrogelen veranschaulichen.

Hydrogele sind in der Lage, das Hundertfache ihres Gewichts in Wasser aufzunehmen. Wenn Wasser in das vernetzte Polymernetz gelangt, löst es hydrophile, ionische oder beide Arten auf dem Polymerrückgrat. Die Wassermoleküle sind größer als die löslichen Gruppen. Aus diesem Grund führt ihre Präsenz im Netzwerk dazu, dass das Hydrogel anschwillt. Während die Querverbindungen, die das Polymer-Rückgrat verbinden, verhindern, dass es sich auflöst oder bricht. Die Hydrogelsynthese ist eine Technik zur Herstellung dieser vernetzten, polymeren Materialien. Dies ist ein einfaches Verfahren, beinhaltet aber Chemikalien, die sowohl giftig als auch entzündlich sind und daher äußerste Sorgfalt und vorbeugende Maßnahmen erfordern. Mit Vorgel-Komponenten können Hydrogele über freie Radikalpolymerisation hergestellt werden. Eine Methode beginnt mit DMPAP als Free Radical Initiator.

Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung in DMPAP wird durch ultraviolettes Licht zu einem ungepaarten, hochreaktiven Elektron, einem freien Radikal auf jedem Kohlenstoffatom, geklammert. Die freien Radikale reagieren mit der Carbon-Carbon-Doppelbindung in HEMA zu einer Propo-Kette mit einem freien Radikal am Ende. Die Hydroxalgruppe, die aus dem Rückgrat kommt, ist in Wasser löslich, wodurch das vernetzte Netz anschwellen lässt, wenn Wasser vorhanden ist. Die Radikalen reagieren auch mit den beiden Carbon-Carbon-Doppelbindungen in TEGDMA, dem chemischen Verlinker. Dadurch werden die Backbone-Ketten miteinander verbunden. Wenn die freien Radikale verbraucht wurden oder vollständig reagiert haben, ist die Hydrogelsynthese abgeschlossen. Die Schwellung kann durch Trocknen, Hydratisieren und anschließendes Retrocknen des Polymers beurteilt werden. Im nächsten Abschnitt werden wir Hydrogele mit dieser Methode der freien Radikalpolymerisation synthetisieren und charakterisieren.

Vor Beginn der Hydrogelsynthese die notwendigen Materialien und Chemikalien sammeln. Die Glasschlitten in der zuvor montierten Syntheseform werden um wenige Millimeter versetzt, um einen Kanal zum Pipetieren der Vorgellösung in die Form zu schaffen. Alle Arbeiten sollten mit der richtigen persönlichen Schutzausrüstung in einer Rauchhaube durchgeführt werden, da dieser Prozess Chemikalien beinhaltet, die sowohl giftig als auch entzündlich sind. Fügen Sie zunächst 0,0012 Mol Prozent DMPAP zum 1000-Mikroliter-Reagenzglas hinzu. Als Nächstes verwenden Sie jedes Mal eine neue Pipette, um 21,2121 Mol Prozent HEMA und dann 3,0303 Mol Prozent TEGDMA in das Reagenzglas hinzuzufügen. Mischen Sie die Lösung mit einer Wirbelmaschine, bis eine homogene Lösung erreicht ist. Tauchen Sie den Spachtel in das Pigment BCP und spülen Sie ihn mit 75,7576 Mol Prozent des Lösungsmittels Ethylenglykol in die Lösung.

Mischen Sie die Lösung mit der Wirbelmaschine, bis sich das Pigment vollständig auflöst und die Lösung homogen ist. Dieses Pigment wird verwendet, um das transparente Hydrogel sichtbar zu machen, während das Lösungsmittel den Free Radical Initiator auflöst und das Hydrogel flexibel hält. Legen Sie die Lösung in die Form mit einer Mikropipette, die an der versetzten Kante der Syntheseform ausgerichtet ist. Die Vorgellösung gleichmäßig in die Mitte der Form injizieren. Legen Sie die gefüllte Form fünf Zentimeter unter eine UV-emittierende Taschenlampe und bestrahlen Sie die Form für eine Minute. Entfernen Sie die Form aus dem Licht und zerlegen Sie, um das Hydrogel von den Glasgleitern zu entfernen.

Wenn das Hydrogel vollständig vernetzt ist, sollte es sich um einen Gummikörper mit einer jelloartigen Konsistenz befinden. Spülen Sie beide Seiten des Hydrogels mit entionisiertem Wasser, um unreagierte chemische Arten und Polygimere aus dem Produkt zu entfernen. Wiederholen Sie diesen Vorgang mit UV-Lichtbelichtungszeiten von 1,5 und fünf Minuten, um insgesamt drei Hydrogele zu erzeugen.

Untertauchen Sie die fertigen Hydrogele ein bis zwei Stunden in einen Behälter mit Isopropylalkohol. Der Alkohol ersetzt das Ethylenglykol im Hydrogel, so dass es schnell trocknen kann, während seine Struktur erhalten bleibt. Die Hydrogele aus dem Alkohol nehmen und ca. 30 Minuten im Freien trocknen lassen. Wiegen und erfassen Sie das Gewicht der einzelnen getrockneten Hydrogele. Untertauchen Sie die Hydrogele in entionisiertes Wasser, bis sie vollständig angeschwollen sind. Entfernen Sie die Gele aus dem Wasser und wischen Sie sie vorsichtig trocken ab. Wiegen und erfassen Sie das Gewicht der geschwollenen Hydrogele. Verwenden Sie das Gewicht der geschwollenen Hydrogele, Ws, und der getrockneten Hydrogele, Wd, um den Schwellungsgrad zu berechnen.

Es wurde festgestellt, dass der Schwellungsgrad für die einminütige Probe etwa 136 %, für die 1,5-Minütige-Probe 387 % und für die fünfminütige Probe 81 % betrug. Diese Ergebnisse zeigen, dass bei der längsten UV-Expositionszeit weniger Schwellungen vorhanden waren. Durch die Bildung von mehr Verbindungen zwischen Polymermolekülen mit erhöhter UV-Exposition gab es elastischere Bremskräfte an den Polymerketten. Dies führte dazu, dass Hydrogele mit mehr Vernetzung weniger expandieren als solche mit weniger Vernetzung.

Nun, da Sie die Methoden der Synthese und Charakterisierung von Hydrogelen zu schätzen wissen, werfen wir einen Blick darauf, wie sie in alltäglichen Produkten verwendet werden. Konsumgüter wie Krankenhauspads, feminine Hygienepads und Windeln enthalten eines der häufigsten superabsorbierenden Polymere. Dieses Hydrogel kann anschwellen, um Flüssigkeiten bis zum 800-fachen seines Gewichts zu absorbieren, so dass Hersteller Produkte entwickeln können, die schlank und komfortabel sind. Das in diesem Video synthetisierte Hydrogel wird als Sensor in einem Rasenregner verwendet. Der Sensor ist in Kontakt mit dem Boden und schwillt an, während der Rasen bewässert wird, bis er die Sprinklerabschaltung auslöst.

Sie haben gerade Joves Einführung in die Hydrogelsynthese gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, wie Hydrogele synthetisiert und charakterisiert werden. Danke fürs Zuschauen.

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