هیدروژل : توصیف و کاربردها

0

فهرست

هیدروژل : توصیف و کاربردها

هیدروژل توصیف و کاربردها محصولات هیدروژل گروهی از مواد پلیمری را تشکیل می دهند که ساختار آب دوست آنها را قادر به نگه داشتن مقادیر زیادی آب در شبکه های سه بعدی خود می کند. اشتغال گسترده این محصولات در تعدادی از مناطق صنعتی و زیست محیطی از اهمیت برخوردار است. همانطور که انتظار می رفت ، هیدروژل های طبیعی به دلیل ظرفیت جذب آب بالاتر ، به تدریج با انواع مصنوعی جایگزین شدند، عمر طولانی و انواع مختلف منابع شیمیایی خام. مشخص شد که ادبیات در این زمینه به ویژه در زمینه های علمی تحقیق در حال گسترش است. با این حال ، تعدادی از نشریات و گزارش های فنی مربوط به محصولات هیدروژل از نظر مهندسی برای بررسی اجمالی جنبه های فنی این زمینه در حال رشد چند رشته ای تحقیق مورد بررسی قرار گرفت. هدف اصلی این مقاله بررسی ادبیات مربوط به طبقه بندی هیدروژل ها بر اساس مختلف ، مشخصات فیزیکی و شیمیایی این محصولات و امکان سنجی فنی است.از استفاده آنها این همچنین شامل فن آوری های اتخاذ شده برای تولید هیدروژل همراه با مفاهیم طراحی فرآیند ، نمودارهای بلوکی و شرایط بهینه شده فرآیند آماده سازی است. دسته ای نوآور از نسل های اخیر مواد هیدروژل نیز در برخی جزئیات ارائه شده است.

چکیده گرافیکی

 

هیدروژل : توصیف و کاربردها

 

 

معرفی هیدروژل ها

دانشکده ها : مواد مورد علاقه در این بررسی مختصر در درجه اول هیدروژل ها هستند که شبکه های پلیمری هستند که به طور گسترده ای از آب متورم شده اند. هیدروفیل ژل که معمولا به عنوان هیدروژل اشاره شبکه می زنجیر پلیمری هستند که گاهی اوقات به عنوان ژل کلوئیدی است که در آن آب متوسط پراکندگی است پیدا شده است .

محققان طی سالیان مختلف ، هیدروژل ها را به طرق مختلف تعریف کرده اند. متداول ترین آنها این است که هیدروژل یک شبکه پلیمری متورم در آب و متقاطع است که با واکنش ساده یک یا چند مونومر تولید می شود . تعریف دیگر این است که این ماده یک ماده پلیمری است که توانایی تورم و حفظ بخش قابل توجهی از آب را در ساختار خود نشان می دهد ، اما در آب حل نمی شود. هیدروژل ها در ۵۰  سال گذشته به دلیل وعده استثنایی که در طیف گسترده ای از برنامه ها دارند ، مورد توجه بسیاری قرار گرفته اند . 

آنها همچنین دارای درجه انعطاف پذیری بسیار مشابه بافت طبیعی به دلیل محتوای آب زیادی هستند.

توانایی هیدروژل ها در جذب آب از گروه های عملکردی آب دوست متصل به ستون فقرات پلیمری ناشی می شود ، در حالی که مقاومت آنها در برابر انحلال از اتصالات متقابل بین زنجیره های شبکه ناشی می شود. بسیاری از مواد ، هم به طور طبیعی و هم مصنوعی ، در تعریف هیدروژل ها مناسب هستند.

در طول دو دهه گذشته ، هیدروژل های طبیعی به تدریج با هیدروژل های مصنوعی جایگزین شدند که دارای طول عمر بالا ، ظرفیت جذب آب بالا و مقاومت ژل بالا است. خوشبختانه ، پلیمرهای مصنوعی معمولاً ساختارهای کاملاً مشخصی دارند که می توانند برای تولید تجزیه پذیری و عملکرد مناسب ، اصلاح شوند. هیدروژل ها را می توان از اجزای کاملاً مصنوعی سنتز کرد. همچنین ، در شرایط نوسانات شدید و شدید دما پایدار است .

اخیراً ، هیدروژل ها به عنوان سیستم های دو یا چند جز consisting متشکل از یک شبکه سه بعدی از زنجیره های پلیمری و آب تعریف شده اند که فضای بین ماکرومولک ها را پر می کند . بسته به خصوصیات پلیمر (پلیمرها) استفاده شده و همچنین به ماهیت و چگالی اتصالات شبکه ، چنین ساختارهایی در یک تعادل می توانند حاوی مقادیر مختلف آب باشند. به طور معمول در حالت متورم ، کسر جرم آب در یک هیدروژل بسیار بالاتر از کسر جرمی پلیمر است. در عمل ، برای دستیابی به تورم زیاد ، معمولاً استفاده از پلیمرهای مصنوعی که به صورت غیر مقطعی محلول در آب هستند ، استفاده می شود.

هیدروژل ها ممکن است به روشهای شیمیایی “کلاسیک” ساخته شوند. اینها شامل روشهای یک مرحله ای مانند پلیمریزاسیون و پیوند عرضی موازی مونومرهای چند منظوره ، و همچنین روشهای چند مرحله ای شامل سنتز مولکولهای پلیمر دارای گروههای واکنش دهنده و پیوند عرضی بعدی آنها ، احتمالاً با واکنش پلیمرها با عوامل اتصال متقابل مناسب است. مهندس پلیمر می تواند شبکه های پلیمری را با کنترل در مقیاس مولکولی بر ساختار مانند تراکم پیوند عرضی و با خواص متناسب مانند تخریب بیولوژیکی ، مقاومت مکانیکی و واکنش شیمیایی و بیولوژیکی به محرک ها طراحی و سنتز کند .

چند نوع هیدروژل وجود دارد؟

هیدروژل ها معمولاً از مونومرهای قطبی تهیه می شوند. با توجه به خود مواد شروع، آنها را می توان به پلیمر طبیعی تقسیم هیدروژل ، پلیمر مصنوعی هیدروژل ، و ترکیبی از این دو کلاس .

 

هیدروژل برای چه استفاده می شود؟

پانسمان هیدروژل از بسیاری جهات برای پانسمان زخم ایده آل است. وقتی روی زخم های خشک و همچنین زخم های برافروخته یا نکروزه قرار می گیرند ، می توانند با تقویت برداشتن بافت آلوده یا نکروزه از طریق اتولیز ، آنها را تمیز و تمیز نگه دارند. پانسمان های هیدروژل زخم را گرم ، مرطوب و بسته نگه می دارد.

 

آیا هیدروژل برای پوست مفید است؟

مزایای . با تأمین رطوبت به زخم ، پانسمان های هیدروژل یک محیط ترمیم مرطوب ایجاد می کنند ، که باعث رشد دانه بندی ، اپیتلیالیزاسیون و از بین بردن اتولیتیک می شود.

 

طبقه بندی محصولات هیدروژل

هیدروژل محصولات را می توان در پایگاه های مختلف طبقه بندی شده به شرح زیر جزئیات:

طبقه بندی براساس منبع

هیدروژل ها را می توان بر اساس منشأ طبیعی یا مصنوعی به دو گروه طبقه بندی کرد 

طبقه بندی براساس ترکیب پلیمری

روش آماده سازی منجر به تشکیل برخی از گروه های مهم هیدروژل می شود. مثالهای زیر را می توان مثال زد:

(آ)

هیدروژل های هموپلیمر به شبکه پلیمری مشتق شده از یک گونه منومر منفرد اطلاق می شود که یک واحد ساختاری اساسی است که از هر شبکه پلیمری تشکیل شده است . هوموپلیمرها بسته به ماهیت تکنیک مونومر و پلیمریزاسیون ممکن است دارای ساختار اسکلتی پیوندی باشند.

(ب)

هیدروژل های کوپلیمر از دو یا چند گونه مختلف مونومر با حداقل یک جز hyd آب دوست تشکیل شده اند که در یک پیکربندی تصادفی ، بلوکی یا متناوب در امتداد زنجیره شبکه پلیمر مرتب شده اند .

(ج)

هیدروژل پلیمری چند نفری پلیمری با نفوذ (IPN) ، یک گروه مهم از هیدروژل ها ، از دو جز independent پلیمر مصنوعی و / یا طبیعی بهم پیوسته ساخته شده است که در فرم شبکه وجود دارد. در هیدروژل نیمه IPN ، یک جز پلیمر پیوندی است و جز and دیگر یک پلیمر غیر اتصالی است 

طبقه بندی براساس پیکربندی

طبقه بندی هیدروژل ها به ساختار فیزیکی آنها بستگی دارد و ترکیب شیمیایی را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

(آ)

بی شکل (غیر بلوری).

(ب)

نیمه کریستالی: مخلوط پیچیده ای از مراحل آمورف و کریستالی .

(ج)

کریستالی

طبقه بندی براساس نوع پیوند عرضی

هیدروژل ها را می توان بر اساس ماهیت شیمیایی یا فیزیکی اتصالات عرضی به دو دسته تقسیم کرد. شبکه های متقاطع شیمیایی دارای اتصالات دائمی هستند ، در حالی که شبکه های فیزیکی دارای اتصالات گذرا هستند که یا از درهم تنیدگی های زنجیره ای پلیمری حاصل می شوند یا از فعل و انفعالات فیزیکی مانند فعل و انفعالات یونی ، پیوندهای هیدروژن یا فعل و انفعالات آبگریز [۱۱] .

طبقه بندی براساس شکل ظاهری

شکل ظاهری هیدروژل ها به عنوان ماتریس ، فیلم یا میکروسفر به روش پلیمریزاسیون در فرآیند آماده سازی بستگی دارد.

طبقه بندی با توجه به بار الکتریکی شبکه

هیدروژل ها را می توان بر اساس وجود یا عدم وجود بار الکتریکی واقع بر روی زنجیرهای متقاطع ، به چهار گروه تقسیم کرد:

(آ)

غیر یونی (خنثی).

(ب)

یونی (شامل آنیونی یا کاتیونی).

(ج)

الکترولیت آمفوتریک (آمفولیتیک) حاوی هر دو گروه اسیدی و گروههای اساسی.

(د)

Zwitterionic (polybetaines) حاوی هر دو گروه آنیونی و کاتیونی در هر واحد تکرار ساختاری.

پلیمرهای طبیعی سازنده هیدروژل شامل پروتئین هایی مانند کلاژن و ژلاتین و پلی ساکاریدها مانند نشاسته ، آلژینات و آگارز هستند . پلیمرهای مصنوعی که هیدروژل تشکیل می دهند به طور سنتی با استفاده از روش های پلیمریزاسیون شیمیایی تهیه می شوند .

محصول هیدروژل حساس به شرایط محیطی

همانطور که در بالا ذکر شد ، هیدروژل ها به عنوان شبکه های پلیمری آب دوست سه بعدی متقاطع قادر به تورم یا تورم برگشت پذیر در آب هستند و حجم زیادی از مایع را در حالت متورم حفظ می کنند. هیدروژل ها را می توان با پاسخ های قابل کنترل طراحی کرد تا با تغییر در شرایط محیط خارجی ، کوچک یا منبسط شود.

آنها ممکن است در پاسخ به انواع محرکهای فیزیکی و شیمیایی ، در حالی که محرکهای فیزیکی شامل دما ، میدان الکتریکی یا مغناطیسی ، نور ، فشار و صدا هستند ، انتقال حجم چشمگیری را انجام دهند ، در حالی که محرکهای شیمیایی شامل PH ، ترکیب حلال ، قدرت یونی و گونه های مولکولی ( شکل ۱ ).

 

هیدروژل

 

میزان تورم یا تورم در پاسخ به تغییرات محیط خارجی هیدروژل می تواند چنان شدید باشد که از این پدیده به عنوان فروپاشی حجم یا انتقال فاز یاد می شود  . هیدروژل های مصنوعی از چهار دهه گذشته زمینه تحقیقات گسترده ای بوده است و امروزه نیز همچنان یک منطقه تحقیقاتی بسیار فعال است.

استفاده از محصولات هیدروژل

با استقرار اولین هیدروژل های مصنوعی توسط ویچرل و لیم در سال ۱۹۵۴  ، فناوری های هیدروژل ممکن است برای محصولات بهداشتی ، کشاورزی ، سیستم های تحویل دارو  ، آب بندی اعمال شود. ] ، آبگیری از زغال سنگ ، برف مصنوعی  ، مواد افزودنی غذایی  ، داروها ، کاربردهای زیست پزشکی  مهندسی بافت و داروهای احیا ، تشخیص ، پانسمان زخم  ، جداسازی مولکول های زیستی یا سلول ها [۲۶] و مواد مانع برای تنظیم چسبندگی های بیولوژیکی 

علاوه بر این ، طیف رو به رشد مونومرهای عملکردی و ماکرومرها کاربرد آنها را گسترش می دهد. از آنها در جاذبهای آب کشاورزی اولیه بر اساس بیوپلیمرها از طریق پیوند مونومرهای آب دوست بر روی نشاسته و سایر پلی ساکاریدها استفاده شد. محصولات هیدروژل برای کاربردهای بهداشتی عمدتا بر اساس اسید اکریلیک و نمک های آن ساخته می شوند. آکریل آمید جز component اصلی استفاده شده برای تهیه محصولات هیدروژل کشاورزی است  .

نشریات مختلف در این زمینه به تفصیل در مورد روشهای مصنوعی و کاربردهای هیدروژل ها بحث کرده اند. به عنوان مثال ، یک بررسی جامع از شیمی و طرحهای مختلف مصنوعی مورد استفاده برای تهیه هیدروژل را می توان در فصلهای مختلف مجموعه ای که توسط Peppas ویرایش شده است پیدا کرد  . اخیراً هیدروژل های تولید شده توسط پلیمریزاسیون و پیوند تابش توسط خویلو منتشر شده است  Mi-Ran Park ] نحوه تهیه و خواص شیمیایی هیدروژل های استفاده شده در کاربردهای کشاورزی را توصیف کرد. ویجایالاکشمی و کنیچی پتانسیل هیدروژل ها را در استفاده از حسگرها بررسی کرده اند  . دیمیتریوس و همکاران در مورد خیاطی هیدروژل ها برای کاربردهای مختلف مورد علاقه پزشکی بحث کرد.

فن آوری های مورد استفاده در آماده سازی هیدروژل

طبق تعریف ، هیدروژل ها شبکه های پلیمری هستند که دارای خصوصیات آب دوست هستند . در حالی که هیدروژل ها به طور کلی بر اساس مونومرهای آب دوست تهیه می شوند ، از منومرهای آبگریز گاهی اوقات در تهیه هیدروژل برای تنظیم خصوصیات برای کاربردهای خاص استفاده می شود.

به طور کلی ، هیدروژل ها را می توان هم از پلیمرهای مصنوعی و هم از پلیمرهای طبیعی تهیه کرد. پلیمرهای مصنوعی ماهیت آبگریز دارند و از نظر شیمیایی در مقایسه با پلیمرهای طبیعی قوی ترند. مقاومت مکانیکی آنها منجر به تخریب کند می شود ، اما از طرف دیگر ، مقاومت مکانیکی نیز دوام را فراهم می کند. این دو ویژگی متضاد باید از طریق طراحی بهینه متعادل شوند . همچنین ، می توان از آن برای تهیه هیدروژل ها بر اساس پلیمرهای طبیعی استفاده کرد ، به شرطی که این پلیمرها دارای گروه های عملکردی مناسب باشند یا با گروه های قابل پلیمر شدن کاملاً کاربردی شده باشند .

به مفهوم ترین معنی ، هیدروژل به سادگی یک شبکه پلیمری آب دوست است که به نوعی با هم پیوند خورده و یک ساختار الاستیک تولید می کند . بنابراین ، هر تکنیکی که می تواند برای ایجاد یک پلیمر متقاطع استفاده شود ، می تواند برای تولید هیدروژل استفاده شود. از پلیمریزاسیون رادیکال های آزاد کوپلیمریزاسیون / پیوند عرضی معمولاً برای تولید هیدروژل ها با واکنش مونومرهای آب دوست با پیوند دهنده های چند منظوره استفاده می شود . پلیمرهای خطی محلول در آب از هر دو منشا طبیعی و مصنوعی برای ایجاد هیدروژل ها به چندین روش با هم پیوند خورده اند:

۱

لینک کردن زنجیره های پلیمری از طریق واکنش شیمیایی.

۲

استفاده از پرتوهای یونیزان برای تولید رادیکال های آزاد با زنجیره اصلی که می توانند به عنوان اتصالات پیوند عرضی ترکیب شوند.

۳

فعل و انفعالات فیزیکی مانند درهم تنیدگی ، الکترواستاتیک و تشکیل کریستالیت .

از هر یک از تکنیک های مختلف پلیمریزاسیون می توان برای تشکیل ژل استفاده کرد ، از جمله پلیمریزاسیون فله ، محلول و سوسپانسیون .

به طور کلی ، سه قسمت انتگرال آماده سازی هیدروژل ها مونومر ، آغازگر و اتصال دهنده متقابل هستند . برای کنترل گرمای پلیمریزاسیون و خصوصیات نهایی هیدروژل ها ، می توان از رقیق کننده ها مانند آب یا سایر محلول های آبی استفاده کرد. سپس ، توده هیدروژل باید شسته شود تا ناخالصی های باقی مانده از فرآیند آماده سازی پاک شود. اینها شامل مونومر غیر واکنشی ، آغازگرها ، اتصالات عرضی و محصولات ناخواسته تولید شده از طریق واکنش های جانبی است ( شکل ۲ ).

نمودار شماتیک تهیه هیدروژل

 

شکل ۲ . نمودار شماتیک تهیه هیدروژل .

تهیه هیدروژل بر اساس اکریل آمید ، اسید اکریلیک و نمکهای آن توسط پلیمریزاسیون با سوسپانسیون معکوس و پلیمریزاسیون محلول رقیق در جای دیگری بررسی شده است. مطالعات کمتری در انجام شده است بسیار متمرکز پلیمریزاسیون محلول مونومر اکریلیک، که اغلب به ثبت رساند  . چن از طریق پلیمریزاسیون محلول غلیظ (۴۳٫۶ درصد وزنی) با استفاده از پرسولفات پتاسیم به عنوان یک شروع گرما ، ابرجاذب اکریلیک اسید – سدیم اکریلات تولید کرد  .

هیدروژل ها معمولاً از مونومرهای قطبی تهیه می شوند. با توجه به مواد اولیه آنها ، می توان آنها را به هیدروژل های پلیمری طبیعی ، هیدروژل های پلیمری مصنوعی و ترکیبات دو طبقه تقسیم کرد.

از نظر مقدماتی ، آنها را می توان با پلیمریزاسیون پیوند ، پلیمریزاسیون با اتصال متقابل ، تشکیل شبکه از پلیمر محلول در آب ، و اتصال متقابل تابش ، و غیره به دست آورد. انواع مختلفی از هیدروژل وجود دارد. عمدتا ، آنها کوپلیمرهای متقاطع کمی از اکریلات و اسید اکریلیک و پلیمرهای اسید آکریلیک نشاسته پیوند شده هستند که توسط سوسپانسیون معکوس ، پلیمریزاسیون امولسیون و پلیمریزاسیون محلول تهیه شده اند. تکنیک های پلیمریزاسیون در زیر شرح داده شده است.

پلیمریزاسیون فله

بسیاری از مونومرهای وینیل به طور بالقوه می توانند برای تولید هیدروژل استفاده شوند. هیدروژل های فله را می توان با یک یا چند نوع مونومر تشکیل داد. طیف گسترده ای از مونومرها فرد را قادر می سازد تا هیدروژل را با خواص فیزیکی مطلوب برای یک کاربرد خاص تهیه کند. معمولاً مقدار کمی عامل اتصال متقاطع در هر فرمولاسیون هیدروژل اضافه می شود. واکنش پلیمریزاسیون به طور معمول با تابش اشعه، اشعه ماوراء بنفش، یا کاتالیزور شیمیایی آغاز می شود.

انتخاب یک آغازگر مناسب به نوع مونومرها و حلال های مورد استفاده بستگی دارد. هیدروژل پلیمری ممکن است در انواع مختلفی از جمله فیلم ها و غشاها ، میله ها ، ذرات و امولسیون ها تولید شود .

پلیمریزاسیون فله ساده ترین تکنیک است که فقط شامل آغازگرهای محلول در مونومر و مونومر است. میزان بالای پلیمریزاسیون و درجه پلیمریزاسیون به دلیل غلظت بالای مونومر اتفاق می افتد. با این حال ، ویسکوزیته واکنش به طور قابل توجهی با تبدیل که باعث تولید گرما در طی پلیمریزاسیون می شود ، افزایش می یابد. با کنترل واکنش در تبدیل کم می توان از این مشکلات جلوگیری کرد. پلیمریزاسیون انبوه مونومرها برای ایجاد هیدروژل همگن ، یکماتریس پلیمری شیشه ای و شفاف تولید می کند که بسیار سخت است. هنگام غوطه ور شدن در آب ، ماتریس شیشه ای متورم می شود تا نرم و انعطاف پذیر شود.

محلول پلیمریزاسیون / پیوند عرضی

در واکنش های پلیمریزاسیون محلول / اتصال متقابل ، مونومرهای یونی یا خنثی با عامل اتصال متقابل چند منظوره مخلوط می شوند. پلیمریزاسیون به صورت حرارتی با اشعه ماورا بنفش یا با سیستم آغازگر اکسایش اکسیداسیون کاهش می یابد. وجود محلول حلال به عنوان یک غرق گرما بزرگترین مزیت پلیمریزاسیون محلول نسبت به پلیمریزاسیون فله است. هیدروژل های آماده شده باید با آب مقطر شسته شوند تا مونومرها ، الیگومرها ، عامل اتصال متقابل ، ماده آغازگر ، پلیمر محلول و قابل استخراج و سایر ناخالصی ها از بین بروند. وقتی مقدار آب در طی پلیمریزاسیون بیشتر از محتوای آب مربوط به تورم تعادل باشد ، جداسازی فاز اتفاق می افتد و هیدروژل ناهمگن تشکیل می شود.

حلال های معمولی مورد استفاده برای پلیمریزاسیون محلول هیدروژل ها شامل آب ، اتانول ، مخلوط های آب- اتانول و الکل بنزیل هستند . سپس ممکن است حلال سنتز پس از تشکیل ژل با تورم هیدروژل های موجود در آب از بین برود.

پلیمریزاسیون سوسپانسیون یا پلیمریزاسیون معلق معکوس

پلیمریزاسیون پراکندگی یک روش سودمند است زیرا محصولات به صورت پودر یا میکروسفر (مهره) بدست می آیند و بنابراین آسیاب کاری لازم نیست. از آنجا که فرآیند آب در روغن (W / O) به جای روغن رایج در آب (O / W) انتخاب می شود ، از پلیمریزاسیون به عنوان “تعلیق معکوس” یاد می شود.

در این روش ، مونومرها و آغازگرها در فاز هیدروکربن ها به عنوان یک مخلوط همگن پراکنده می شوند . ویسکوزیته محلول مونومر ، سرعت همزن ، طراحی روتور و نوع پخش کننده عمدتا بر اندازه و شکل ذرات رزین حاکم است . برخی از بحث های دقیق در مورد پلیمریزاسیون هترو فاز قبلاً منتشر شده است . پراکندگی از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است و هم به هم زدن مداوم و هم به افزودن یک عامل تعلیق کم آب دوستانه-تعادل لیپوفیلی (HLB) نیاز دارد.

پیوند به یک پشتیبانی

به طور کلی ، هیدروژل های تهیه شده توسط پلیمریزاسیون فله دارای ساختار ضعیف ذاتی هستند. برای بهبود خواص مکانیکی هیدروژل ، می توان آن را روی سطح پوشش داده شده بر روی یک تکیه گاه قوی پیوند زد. این تکنیک که شامل تولید رادیکال های آزاد بر روی یک سطح پشتیبانی قوی تر و سپس مونومرهای پلیمریزاسیون مستقیم بر روی آن است در نتیجه یک زنجیره از مونومرها به صورت کووالانسی به پشتیبانی متصل می شوند. انواع مختلفی از ساپورت های پلیمری برای سنتز هیدروژل با استفاده از تکنیک های پیوند استفاده شده است 

پلیمریزاسیون توسط تابش

پرتوهای پرانرژی یونیزه ، مانند پرتوهای گاما و پرتوهای الکترون ، به عنوان آغازگر تهیه هیدروژل های ترکیبات غیر اشباع استفاده شده است. تابش محلول پلیمری آبی منجر به تشکیل رادیکال هایی روی زنجیره های پلیمر می شود. همچنین ، رادیولیز مولکول های آب منجر به تشکیل رادیکال های هیدروکسیل می شود ، که به زنجیره های پلیمر نیز حمله می کنند و در نتیجه رادیکال های کلان ایجاد می شوند.

ترکیب مجدد رادیکالهای کلان در زنجیره های مختلف منجر به تشکیل پیوندهای کووالانسی می شود ، بنابراین در نهایت ، یک ساختار پیوندی متقابل شکل می گیرد. نمونه هایی از پلیمرهای متقاطع با روش تابش ، پلی (وینیل الکل) ، پلی (اتیلن گلیکول) و پلی (اسید اکریلیک) هستند. مهمترین مزیت شروع تابش نسبت به شروع شیمیایی تولید هیدروژلهای نسبتاً خالص و عاری از آغازگر است.

ویژگی های فنی هیدروژل

ویژگی های عملکردی یک ماده هیدروژل ایده آل را می توان به شرح زیر ذکر کرد :

بالاترین ظرفیت جذب (حداکثر تورم تعادل) در محلول نمکی.

میزان جذب مورد نظر (اندازه ذرات و تخلخل ترجیحی) بسته به نیاز مورد نیاز.

بالاترین میزان جذب تحت بار (AUL).

کمترین محتوای محلول و مونومر باقیمانده .

کمترین قیمت

بیشترین دوام و پایداری در محیط تورم و در حین نگهداری.

بالاترین تجزیه بیولوژیکی بدون تشکیل گونه های سمی به دنبال تخریب.

بی طرفی pH پس از تورم در آب.

بی رنگی ، بی بو بودن و مطلقا غیر سمی بودن.

پایداری عکس.

قابلیت مرطوب سازی مجدد (در صورت لزوم) هیدروژل باید بتواند محلول آغشته شده را بازگرداند یا آن را حفظ کند. بسته به نیاز برنامه (به عنوان مثال ، در برنامه های کشاورزی یا بهداشتی).

بدیهی است ، غیرممکن است که یک نمونه هیدروژل به طور همزمان تمام ویژگی های مورد نیاز ذکر شده را برآورده کند. در واقع ، اجزای مصنوعی برای دستیابی به حداکثر سطح برخی از این ویژگی ها منجر به عدم کارایی بقیه خواهد شد. بنابراین ، در عمل ، متغیرهای واکنش تولید باید بهینه سازی شوند تا تعادل مناسبی بین خصوصیات حاصل شود. به عنوان مثال ، محصولات بهداشتی هیدروژل ها باید بالاترین میزان جذب ، کمترین مرطوب سازی و کمترین مونومر باقیمانده را داشته باشند و هیدروژل های مورد استفاده در تحویل دارو باید متخلخل بوده و به pH یا دما پاسخ دهند.

مفاهیم طراحی فرآیند

تولید هیدروژل های پلیمری به طور معمول توسط یکی از دو طرح کاملاً ثابت انجام می شود: (الف) پلیمریزاسیون مونومرهای آب دوست و (ب) اصلاح یا عملکرد پلیمرهای موجود (طبیعی یا مصنوعی). فناوری تولید هیدروژل در بخشهای بعدی با تأکید بر روشها و تکنیکهای اخیر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

منابع اصلی هیدروژل ها اغلب به دو دسته اصلی تقسیم می شوند. یعنی مصنوعی (مبتنی بر پتروشیمی) و طبیعی. دسته دوم را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد ، یعنی هیدروژل های مبتنی بر پلی ساکاریدها و گروه های دیگر براساس پلی پپتیدها (پروتئین ها). هیدروژل های پایه طبیعی معمولاً از طریق افزودن برخی از قطعات مصنوعی به لایه های طبیعی تهیه می شوند ، به عنوان مثال ، کوپلیمریزاسیون پیوند مونومرهای وینیل روی پلی ساکاریدها.

باید به این نکته اشاره شود که واژه “هیدروژل” بدون مشخص کردن نوع آن استفاده می شود. در واقع متداول ترین نوع هیدروژل ، یعنی اکریلیک آنیونی است که شامل یک شبکه کوپلیمر بر اساس اسید اکریلیک (AA) یا اکریل آمید نیمه خنثی شده (AM) است.

بیشترین حجم هیدروژل شامل مصنوعی کامل یا منشأ پتروشیمی است. آنها از مونومرهای اکریلیک تولید می شوند. اکریلیک اسید (AA) و نمک های سدیم یا پتاسیم آن و آکریل آمید (AM) بیشترین استفاده را در تولید صنعتی هیدروژل دارند. دو مسیر کلی برای آماده سازی شبکه های هیدروژل اکریلیک می باشد پلیمریزاسیون به طور همزمان و ارتباط متقابل با یک پلی وینیل متقابل لینکر و ارتباط متقابل از یک محلول در آب پری پلیمر توسط polyfunctional متقابل لینکر.

متداول ترین و متنوع ترین تکنیک برای تولید هیدروژل های مصنوعی ، مونومرهای وینیل چند منظوره رادیکال آزاد است.

هر یک از این مونومرها حاوی یک پیوند مضاعف کربن است که از طریق آن ممکن است یک مرکز فعال برای تولید زنجیره های پلیمری منتشر شود . روش تولید مراکز فعال به مونومرهای خاص ، حلال ها و شرایط واکنش مورد استفاده بستگی دارد ، اما ممکن است بر اساس گرما (آغازگرهای حرارتی) ، نور (آغازگرهای نوری) ، اشعه γ یا پرتوهای الکترون باشد .

تهیه هیدروژل پلی (اسید اکریلیک)

برای تهیه هیدروژل ها از انواع مونومرها ، اکثرا اکریلیک استفاده می شود. اکریلیک اسید (AA) و نمک های سدیم یا پتاسیم آن اغلب در تولید صنعتی هیدروژل ها استفاده می شود. با این وجود AA ، مایعی بی رنگ با بوی سرکه ، توانایی تبدیل به دیمر (DAA) خود را دارد. در این راستا ، سطح DAA باید به حداقل برسد تا از کمبود محصول نهایی جلوگیری شود ، به عنوان مثال ، کاهش عملکرد ، از دست دادن کسر محلول ، مونومرهای باقیمانده و غیره با AA به درستی کار کنید ، مانند قرار دادن به موقع سفارش ، تحویل به موقع ، حذف رطوبت و ذخیره سازی با دما (به طور معمول ۱۷-۱۸  درجه سانتیگراد) .

همانطور که قبلاً ذکر شد ، مواد هیدروژل غالباً از طریق پلیمریزاسیون منیزیم اکریلیک که به طور کاملاً ریشه ای آغاز شده ، سنتز می شوند. رزینها یا در محیط آبی با استفاده از پلیمریزاسیون محلول و یا در محیط هیدروکربنی تهیه می شوند که مونومرها به خوبی پراکنده شده اند. این روشهای مختلف به طور خلاصه در بخشهای بعدی مورد بحث قرار گرفته است.

تهیه و بهینه سازی فرآیند هیدروژل با روش پلیمریزاسیون محلول

رادیکال های آزاد پلیمریزاسیون اسید اکریلیک (AA) و نمک های آن با اتصال دهنده عرضی ، اغلب برای تهیه هیدروژل استفاده می شود. گروههای اسید کربوکسیلیک محصول قبل یا بعد از مرحله پلیمریزاسیون تا حدی خنثی می شوند. شروع است که اغلب خارج شیمیایی با آزو رادیکال آزاد انجام شده و یا پراکسید هیدروژن از واکنش یک عامل کاهنده با گونه تجزیهای حرارتی یا عامل اکسید کننده (سیستم ردوکس) [۵۰] .

پلیمریزاسیون محلول AA و / یا نمک های آن با یک اتصال دهنده عرضی محلول در آب ، به عنوان مثال ، متیلن بی آکریل آمید (MBA) در یک محلول آبی ، یک روند مستقیم است. واکنش دهنده ها در غلظت های مورد نظر ، معمولاً حدود ۱۰–۷۰٪ در آب حل می شوند.

با یک واکنش گرمازایی سریع ، محصولی الاستیک مانند ژل حاصل می شود که خشک شده و جرم متخلخل ماکرو پودر شده و الک می شود تا اندازه ذرات مورد نیاز بدست آید. این روش مقدماتی معمولاً به دلیل اثرات نامطلوب رخ هیدرولیتی و حرارتی ، از ضرورت رسیدگی به یک محصول واکنش لاستیکی / جامد ، فقدان کنترل واکنش کافی ، توزیع اندازه ذرات غیر دقیق و افزایش محتوای سل رنج می برد . با این حال ، برای تولید کلی هیدروژل با خواص تورم قابل قبول ، تکنیک کم هزینه و سریعتر ، یعنی روش محلول اغلب ممکن است توسط تولید کنندگان ترجیح داده شود [۴۹] .

مونومر AA توسط متوکسی هیدروکینون (MHC) مهار می شود تا از پلیمریزاسیون خود به خود در حین ذخیره سازی جلوگیری کند. در تولیدات صنعتی ، به دلیل برخی از دلایل فنی ، بازدارنده معمولاً حذف نمی شود [۵۱] . در همین حال ، AA به یک دیمر نامطلوب تبدیل می شود که باید حذف یا به حداقل برسد. به حداقل رساندن دیمر اسید اکریلیک (DAA) در مونومر به دلیل اثرات سو ad غیرمستقیم آن بر مشخصات محصول نهایی ، به طور معمول کسر محلول و مونومر باقیمانده ، مهم است. به محض تولید AA ، اسید دیاکریلیک به طور خود به خود و در حجم عمده واکنش AA تشکیل می شود. از آنجا که دما ، مقدار آب و pH بر میزان تشکیل DAA تأثیر دارند ، می توان با کنترل دمای مونومر ذخیره شده و به استثنای رطوبت ، سرعت را به حداقل رساند [۵۲] .

افزایش غلظت آب تأثیر نسبتاً کمی در میزان تشکیل DAA دارد. با این وجود ، این نرخ برای هر ۵ درجه سانتیگراد افزایش دما تقریباً دو برابر می شود . به عنوان مثال ، در یک نمونه AA با ۰٫۵٪ آب ، میزان دیمریزاسیون به ترتیب ۷۶ و ۱۶۷۲ ppm در روز در ۲۰ و ۴۰ درجه سانتیگراد است. با این وجود ، DAA می تواند در محیط های قلیایی هیدرولیز شود و AA و اسید دیاکریلیک تولید کند. از آنجا که دومی قادر به پلیمری شدن نیست ، به عنوان بخشی از بخش محلول در هیدروژل باقی می ماند.    

جواد علایی و دیگران [۵۳] اظهار داشت که تولید هیدروژل در صنعت متشکل از محلول و تعلیق معکوس و پلیمریزاسیون امولسیون معکوس است . شکل ۳ نشان دهنده یک نمودار بلوکی از فرآیند پلیمریزاسیون محلول عمومی است. این رقم روشهای اصلی تولید هیدروژل را در مقیاس های نیمه آزمایشی و صنعتی ارائه می دهد.

نمودار بلوک آماده سازی هیدروژل (روش پلیمریزاسیون محلول / روش اتصال متقابل).

 

شکل ۳ . نمودار بلوک آماده سازی هیدروژل (روش پلیمریزاسیون محلول / روش اتصال متقابل).

ورق جریان قطاری بسیاری از عناصر واقعی رادیکال آزاد تاسیسات راکتور کوپلیمر [۵۴] ، [۵۵] ، [۵۶] ، [۵۷] ، [۵۸] . همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است ، مونومرهای A و B به طور مداوم با عامل انتقال دهنده ، حلال و زنجیره اضافه می شوند . علاوه بر این ، یک بازدارنده ممکن است به عنوان ناخالصی با خوراک های تازه وارد شود. این جریانهای خوراکی (جریان ۱) با بازیافت (جریان ۲) ترکیب شده و به سمت راکتور (جریان ۳) جریان می یابند ، که فرض می شود مخزنی با مخلوط خوب مخلوط شده باشد. یک خنک کننده جریان می یابداز طریق ژاکت برای از بین بردن حرارت پلیمریزاسیون. پلیمر ، حلال ، مونومرهای واکنش نشده ، آغازگر و عامل انتقال زنجیره از راکتور به جدا کننده (جریان ۴) خارج می شوند که در آن پلیمر ، آغازگر باقیمانده و عامل انتقال زنجیره از بین می روند. مونومرها و حلال بدون واکنش (جریان ۷) سپس بر روی یک نقطه تصفیه (جریان ۸) ادامه می دهند ، که نشان دهنده تخلیه و سایر تلفات است و برای جلوگیری از تجمع مواد بی اثر در سیستم مورد نیاز است. پس از تصفیه ، مونومرها و حلال (جریان ۹) در مخزن نگهدارنده بازیافت ذخیره می شوند ، که به عنوان ظرفیت ولتاژ برای صاف کردن تغییرات جریان و ترکیب بازیافت عمل می کند. (جریان پساب ۲) بازیافت است و سپس به فید تازه اضافه شده است.

پلیمریزاسیون محلول با حلقه بازیافت.

 

شکل ۴ . پلیمریزاسیون محلول با حلقه بازیافت.

تهیه و بهینه سازی فرآیند دانه های هیدروژل با استفاده از روش پلیمریزاسیون تعلیق

تعلیق معکوس یک روش کاملاً انعطاف پذیر و متنوع برای تولید هیدروژل هایی با توانایی تورم بالا و سینتیک جذب سریع است [۵۹] . یک آغازگر محلول در آب نسبت به نوع محلول در روغن کارایی بهتری را نشان می دهد. هنگامی که آغازگر در فاز پراکنده (آبی) حل می شود ، هر ذره حاوی تمام گونه های واکنش پذیر است و بنابراین مانند یک راکتور پلیمریزاسیون میکرو دسته ای جدا شده رفتار می کند [۶۰] .

ذرات میکروسکوپی حاصل به راحتی با فیلتراسیون یا سانتریفوژ از فاز آلی پیوسته حذف می شوند. با خشک شدن ، این ذرات یا مهره ها مستقیماً یک پودر جریان آزاد فراهم می کنند. علاوه بر خصوصیات جریان بی نظیر این مهره ها ، فرآیند تعلیق معکوس مزایای بیشتری را در مقایسه با روش محلول نشان می دهد. اینها شامل کنترل بهتر حذف حرارت واکنش ، تنظیم توزیع اندازه ذرات و امکانات بیشتر برای تنظیم ساختار ذرات یا تغییر شکل مورفولوژی است [۶۱] .

این روش برای تهیه ریز ذرات هیدروژل کروی با دامنه اندازه ۱  میکرومتر تا ۱ میلی متر استفاده می شود. در پلیمریزاسیون سوسپانسیون ، محلول مونومر در قطرات ریز مونومر غیر حلال تشکیل می شود که با افزودن تثبیت کننده تثبیت می شوند. پلیمریزاسیون توسط رادیکال های حاصل از تجزیه حرارتی یک آغازگر آغاز می شود. ریز ذرات تازه تشکیل شده سپس شسته می شوند تا مونومرها ، عامل اتصال متقابل و محرک را از بین ببرند. 

اخیراً ، از روش تعلیق معکوس به دلیل حذف آسان و مدیریت مونومر خطرناک و باقیمانده آکریل آمید در پلیمر ، به طور گسترده ای برای هیدروژل های پایه پلی آکریل آمید استفاده شده است. شکل ۵ نمودار بلوکی فرآیند پلیمریزاسیون تعلیق برای تولید هیدروژل را نشان می دهد. پارامترهای مهم برای تهیه دانه های هیدروژل توسط پلیمریزاسیون تعلیق در ادبیات بیشتر به صورت اختصاصی یا نامشخص باقی مانده اند.

علاوه بر این ، لی [۶۱] دامنه پارامترهای فرآیند حیاتی برای پلیمریزاسیون تعلیق دانه های هیدروژل را بر اساس متاکریلات پلی ۲-هیدروکسی اتیل (PHEMA) مطالعه کرد. دانه های PHEMA توسط پلیمریزاسیون سوسپانسیون رادیکال آزاد از ۲-هیدروکسی اتیل متاکریلات (HEMA) که به آرامی با اتیلن گلیکول دی ماتریلات (EGDMA) متصل می شود با استفاده از هیدروکسید منیزیم به عنوان تثبیت کننده تعلیق تهیه شد.

ورق جریان فرآیند پلیمریزاسیون سوسپانسیون شکل ۶ بسیار شبیه فرآیند پلیمریزاسیون محلول شکل ۴ است ، با این تفاوت که آب جایگزین حلال می شود و راکتور به صورت آسیاب عمل می کند.

فرایند پلیمریزاسیون سیستم تعلیق با حلقه بازیافت

 

شکل ۶ . فرایند پلیمریزاسیون سیستم تعلیق با حلقه بازیافت.

بهینه سازی پارامترهای مingثر بر فرآیند پلیمریزاسیون برای به حداکثر رساندن عملکرد مهره ، صافی ، کروی و شفافیت و دستیابی به توزیع اندازه باریک در حالی که مقدار مواد غیر مهره را کاهش می دهد. پلیمریزاسیون سوسپانسیون ذاتاً دانه هایی با اندازه پراکنده تولید می کند ، اما توزیع اندازه ذرات آنها با هم زدن دور در دقیقه قابل کنترل است. پارامترهایی که به ترتیب اهمیت از نظر خصوصیات پلیمر تأثیر می گذارند به شرح زیر است: نوع و خلوص آغازگر ، غلظت نمک ، دمای پلیمریزاسیون ، نوع و غلظت ماده معلق ، میزان و نوع هم زدن و نسبت پراکندگی به فاز پیوسته.

شرایطی که منجر به عملکرد خوب دانه های PHEMA با کیفیت شد شامل ۰٫۸۵-۱٫۷ agent عامل تعلیق ، ۱۸-۲۰ salt نمک محلول ، ۳٫۵-۵٫۲۵ فاز مداوم به نسبت مونومر ، ۰٫۲-۰٫۴ ۰ آغازگر و سرعت هم زدن بود ۸۰-۱۲۰  دور در دقیقه. پلیمریزاسیون سیستم تعلیق با استفاده از یک تنظیم معمولی ، بسته به سرعت هم زدن ، دانه های PHEMA از یک قطر بین ۷۵  میکرومتر و ۱۰۰۰  میکرومتر را  به همراه دارد. این مهره ها دارای تورم آب تعادل ۳۸-۴۱٪ (وزنی / وزنی) هستند. بهینه سازی شرایط آماده سازی هیدروژل PHEMA [۶۱] می تواند در جدول ۱ خلاصه شود .

جدول ۱ . شرایط بهینه شده برای آماده سازی هیدروژل PHEMA .

پارامتر دامنه
عامل تعلیق ۰٫۸۵–۱٫۷٪
نمک محلول ۱۸-۲۰٪
نسبت فاز / مونومر پیوسته ۳٫۵–۵٫۲۵
آغازگر ۰٫۲-۰٫۴
سرعت هم زدن ۸۰-۱۲۰  دور در دقیقه

تهیه و بهینه سازی فرآیند هیدروژل بر اساس نشاسته پیوند شده

هیدروژل ها ممکن است بر اساس پلیمرهای طبیعی ، از جمله ماکرومولکول های استخراج شده از کلاژن حیوانات ، گیاهان و جلبک های دریایی ساخته شوند. این ماکرومولکولهای طبیعی به ترتیب به ترتیب پلی ساکاریدها و پروتئینهایی هستند که به ترتیب از واحدهای تکرار کننده گلیکوزیدیک و اسید آمینه تشکیل شده اند.

هیدروژل های پلیمرهای طبیعی به ویژه پلی ساکاریدها به طور کلی غیر سمی و قابل تجزیه هستند. تحقیقات و کارهای فنی قابل توجهی گزارش شده است. اصلاح شیمیایی نشاسته یا نشاسته اصلاح شده از طریق کوپلیمریزاسیون پیوند وینیل مهمترین زمینه ها را برای بهبود خواص نشاسته و افزایش دامنه استفاده از آن تشکیل می دهد. نشاسته پیوند کوپلیمر مانند نشاسته-G-پلی استایرن، الکل نشاسته-G-پی وی سی، نشاسته-G-methacrylonitrile و نشاسته-G-اکریلونیتریل اند با تولید رادیکال های آزاد در سطح دانه های نشاسته تولید شده است و پس از copolymerization از این رادیکال های آزاد با مونومرهای وینیل مربوطه. این کوپلیمرها قابلیت تجزیه بیولوژیکی محدودی نیز دارندبه دلیل وجود بخشی غیر تخریب پذیر از پلیمر [۴۴] .

گزارش شده است که از سنتز هیدروژل ها با اصلاح پلیمرهای طبیعی (به عنوان مثال بیوکاتالیستی) برای تهیه هیدروژل های پلی (اکریلات) حاوی قند استفاده شده است. این محققان دریافتند که با مقدمه ای از مقادیر کمی از آگار، آنها قادر به از بین بردن نسبی بود شکنندگی از پلی آکریل آمید هیدروژل و کاهش تشکیل ذرات ریز نامطلوب در طول آسیاب مرطوب. راجو و همکاران [۳۷] با استفاده از پلیمریزاسیون که توسط یونهای سریک آغاز شد ، اکریلونیتریل را روی نشاسته کاساوا پیوند زد . این نویسندگان اثرات غلظت واکنش دهنده و مدت زمان پلیمریزاسیون را بررسی کردند.

از کوپلیمرهای پیوند بسیاری از مونومرهای آب دوست مانند آکریل آمید (AM) ، اسید اکریلیک (AA) و اکریلونیتریل (AN) بر روی نشاسته برای تهیه هیدروژل های جاذب فوق جاذب استفاده شده است. در میان هیدروژل ها ، هیدروژل های پایه نشاسته ای تهیه شده توسط هیدرولیز پیوند نشاسته-پلی اکریلونیتریل به طور دقیق مورد مطالعه قرار گرفته اند.

طلعت و همکاران [۴۴] به طور کامل آماده سازی هیدروژل نشاسته G-آکریلونیتریل را بررسی کرد. فرآیندهای اصلی این روش مخلوط کردن نشاسته و آب ، پیوند با اکریلونیتریل ، جداسازی و خشک کردن به دنبال صابون سازی با قلیایی در ۹۵  درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت ، بارش با متانول ، شستشو با اتانول بدون آب و خشک شدن در خلا در ۶۰  درجه است. C به مدت ۳ ساعت. سیستم ردوکس (آهن ۲+ / H ۲ O ۲ ) به عنوان یک منبع از [OH استخدام ] رادیکال های آزاد. نقطه رادیکال

شکل ۷ نشان دهنده یک نمودار بلوکی از مراحل طراحی آماده سازی هیدروژل از طریق پیوند روی پلی ساکارید (نشاسته) است. پارامترهای اصلی فرآیند که در این مطالعه به دست آمده ممکن است به شرح زیر شرح داده شود [۴۴] :

AN / نشاسته ، ۱٫۴؛ دوز H ۲ O ۲ ، ۱٫۲ ؛ و ۱٫۵ گرم در گرم نشاسته ذرت و سیب زمینی ، به ترتیب H ۲ O ۲ / FeSO ۴ · ۷H ۲ O = ۶ (وزنی / وزنی). نسبت مشروبات الکلی به جامد ، ۱۰: ۱؛ دمای پیوند ، ۳۰ درجه سانتیگراد ؛ زمان پیوند ۹۰ دقیقه. زمان صابون سازی ، ۹۰ دقیقه ۹ میلی لیتر NaOH (0.7 N) / گرم نشاسته پیوند زده شده ؛ دمای صابون سازی ، ۹۵ درجه سانتیگراد ؛ متانول مورد استفاده در بارش و شستشو (۲۰ میلی لیتر در گرم نشاسته پیوند زده شده) ؛ اب؛ دمای خشک کردن ، ۶۰ درجه سانتیگراد و زمان خشک شدن ، ۳ ساعت. بنابراین ، کل مدت زمان آماده سازی هیدروژل حدود ۵ ساعت بود.             

کارهایی که توسط Qunyi و Ganwei انجام شده است [۴۵] که جاذبهای فوقانی شامل پیوند پلیمر اکریلونیتریل و اسید ۲-اکریل آمیدو-۲-متیل پروپانسولفونیک (AMPS) بر روی نشاسته با استفاده از سیستم شروع ردوکس پیرو فسفات منگنز تهیه شده است. افزودن AMPS منجر به کاهش تدریجی زمان صابون سازی برای پلیمر پیوند شد. بر این اساس ، کل مدت زمان تولید جاذب های فوق جاذب نیز کاهش می یابد. اثر دوز هیدروکسید پتاسیم و درجه حرارت صابون سازی بر میزان جذب آب ابرجاذب بررسی شد. شکل ۸ نمودار بلوک هیدروژل تهیه شده توسط Qunyi و Ganwei را نشان می دهد [۴۵] .

حداکثر پاسخ را در شرایط بهینه صابون سازی می توان بدست آورد. جاذب آب ۱۳۴۵  گرم در گرم ابر جاذب خشک با استفاده از شرایط صابون سازی زیر بود: حجم KOH 203.7  میلی لیتر ، غلظت KOH ۱/۵۱ میلی  مول در لیتر و دمای صابون سازی ۶/۹۲  درجه سانتی گراد. کمترین زمان صابون سازی ۱۷  دقیقه است و سپس ، زمان سنتز کل جاذب های فوق جاذب ۲٫۵  ساعت است.

پلیمرهای جاذب زیست تخریب پذیر [۶۲] توسط پیوند پلیمریزاسیون بین نشاسته ژلاتینه شده و آکریل آمید / اسید ایتاکونیک از طریق پلیمریزاسیون محلول کف شده با استفاده از پرسولفات آمونیوم (APS) و تتراماتیل اتیلن دیامین (TEMED) به ترتیب به عنوان آغازگر کاهش اکسیداسیون و هماهنگ کننده تهیه شدند ، در حالی که متیلن بی سکریل آمید (MBA) به عنوان یک عامل اتصال متقابل است.

مشخص شد که حضور هر دو آکریل آمید و اسید ایتاکونیک برای واکنش پیوند در نشاسته منهوت ژلاتینه ضروری است برای به دست آوردن جذب بالا مانند جذب آب ۳۷۹  ±  ۱۰  گرم / گرم تهیه شده از نسبت مولی بهینه از AM قبال IA 90:10 و نسبت وزن مطلوب نشاسته به مونومر ۱: ۲ برای دادن بیشترین درصد بازده پیوند و بیشترین جذب آب. یک طرح مقدماتی که روند اصلی تولید کوپلیمرهای پیوند نشاسته و محصولات واکنش جانبی را نشان می دهد ، توسط نمودار جریان ارائه شده در شکل ۹ نشان داده شده است .

  1. بارگیری: بارگیری تصویر در اندازه کامل

شکل ۹ . نمودار جریان مقدماتی برای نشاسته پیوند یافته و هیدروژل P (AM-co-IA) .

مقدار بیشتری از مونومرها فرصت پیوند بالاتر را برای بستر پیوند نشاسته در فاز دیگر فراهم می کنند. غلظت APS آغازگر ردوکس: TEMED 1: 2  درصد وزنی مونومرها نتیجه مطلوب را برای دستیابی به بالاترین میزان جذب آب به دست می دهد. افزایش غلظت عامل اتصال متقابل در پلیمریزاسیون پیوند ، درصد کارایی پیوند ، افزودنی و نسبت پیوند را افزایش می دهد. شرایط مطلوب عامل اتصال متقابل MBA 2.0  درصد وزنی بیشترین میزان جذب آب را به همراه دارد. شرایط مطلوب کوپلیمریزاسیون پیوند آکریل آمید و اسید ایتاکونیک بر روی نشاسته کاساوا برای تهیه هیدروژل جاذب فوق العاده [۶۲] را می توان به طور خلاصه در جدول ۲ نشان داد .

جدول ۲ . شرایط بهینه کوپلیمریزاسیون پیوند نشاسته کاساوا و آکریل آمید / اسید ایتاکونیک.

ترکیب بندی نسبت (w / w ، g / g)
نسبت وزن مونومر ، AAm / IA ۹۰:۱۰
نسبت وزنی نشاسته به مونومر ۱: ۲
APS (درصد وزنی) مونومر ۰٫۵-۲٫۰
APS / TEMED ۱: ۲
MBA (درصد وزنی) ۲
درجه حرارت ۴۵  درجه سانتیگراد
سرعت هم زدن  دور ۲۵۰ دور در دقیقه

تهیه هیدروژل آکریل آمید توسط تابش

آماده سازی هیدروژل آکریل آمید از محلول های آبی با استفاده از تابش اشعه γ بررسی شده است و اثرات غلظت محلول ، دوز اشعه γ ، pH و زمان در خصوصیات ژل های تولید شده مشاهده شده است. کسر ژل با دوزهای مختلف غلظت افزایش می یابد و تقریباً ۱۰۰٪ تبدیل ژل در ۵  کیلوگرم جیوه برای محلولهای همگن در محدوده غلظت ۲۰-۵۰٪ حاصل می شود. از یک طرف ، کسر ژل کل بیش از ۸۶٪ حتی در دوزهای بالاتر (۳۰  KGy) برای محلول غلظت ۱۰٪ بدست می آید.

از طرف دیگر ، محلول غلظت ۶۰٪ همگن نیست اگرچه حدود ۱۰۰٪ کسر ژل می دهد. بنابراین ، غلظت محدود کننده ای وجود دارد که بالاتر از آن محلول همگن نیست و در زیر آن دوزهای بالاتر برای تهیه ژل مورد انتظار مورد نیاز است. به دلیل تغییر تراکم پیوند عرضی در هیدروژل ها ، تورم با دوز و غلظت متفاوت است. حداکثر تغییر حجم هیدروژل ها در هنگام تورم در عرض ۲۴  ساعت اتفاق می افتد [۶۳] ، [۶۴] .

طراحی و بهینه سازی فن آوری های سازنده هیدروژل مبتنی بر تابش کارآمد ، ایمن و از نظر اقتصادی مستلزم دانش شیمی تابش اساسی است. این نیاز از مدتها قبل یکی از عوامل اصلی تحریک تحقیقات در مورد رادیولیز پلیمرها در محلولهای آبی بوده است. هیدروژل ها را می توان با روش تابش از چند طریق بدست آورد ، از جمله تابش پلیمر جامد ، مونومر (به صورت فله یا محلول) یا محلول آبی پلیمر.

روش اول ، یعنی تابش پلیمر آب دوست به شکل خشک [۶۴] ، اشکالاتی دارد. این ممکن است به آماده سازی نمونه خاصی نیاز داشته باشد (مانند فشار دادن یا ذوب شدن) ، و برخی از مشکلات ممکن است در به دست آوردن هیدروژل های ماکروسکوپی همگن وجود داشته باشد. علاوه بر این ، برای به دست آوردن ژل معمولاً به دوزهای بسیار بیشتری از اشعه یونیزان در مقایسه با تابش محلول نیاز دارد و علاوه بر این ، حذف کامل اکسیژن که می تواند واکنش های جانبی ناخواسته را ایجاد کند ، دشوار است [۶۵] .

یک دسته ابتکاری از محصولات هیدروژل

حدود سه دهه پیش ، پلیمرهای جاذب فوق جاذب (SAP) به صنایع کشاورزی و پوشک وارد شدند ، و سپس ، کاربردهای آنها به سایر صنایع که دارای خاصیت عالی نگهداری آب از اهمیت ویژه ای برخوردار بود ، گسترش یافت.

در سال ۱۹۹۸ ، هیدروژل های فوق العاده منفذ (SPH) به عنوان دسته دیگری از سیستم های پلیمری جاذب آب در نظر گرفته شدند . SPH های اصلی به SPH های بعدی با ویژگی های مفیدتر مانند مقاومت مکانیکی بالا و خاصیت ارتجاعی تبدیل شدند. در این بررسی ، تکامل SPH ها به تفصیل شرح داده شده است ، و تفاوت بین SPH ها و جاذب های فوق جاذب (SAP) نیز توضیح داده شده است. تعدیل ساختاری، درست مثل SPHs، کراس لینک نظر ساختاری آبدوست پلیمرها، که توانایی جذب مقدار قابل توجهی از آب یا مایعات آبی (۱۰-۱۰۰۰ برابر وزن اصلی خود و یا حجم) در دوره نسبتا کوتاه از زمان [۶۰] .

بسته به روند ساخت و مواد مورد استفاده در طول آماده سازی ، میزان تورم SAP ها از کسری از یک دقیقه تا چند ساعت متغیر است. تورم سریع ، با این حال ، عمدتا بر اساس اندازه کوچک نمونه های SAP است. از طرف دیگر ، سینتیک تورم SPH ها بدون در نظر گرفتن اندازه محصول نهایی ، همیشه سریع است. هیدروژلهای متخلخل با استفاده از چندین تکنیک مانند خشک شدن با یخ [۶۶] ، تشکیل میکروامولسیون و جداسازی فاز [۶۷] تهیه می شوند . از طرف دیگر ، SAP ها و SPH های مدرن به طور معمول با استفاده از یک روش دمیدن گاز تهیه می شوند که در آن از تجزیه ترکیب اسید بی کربنات ناشی از اسید استفاده می شود [۶۸] .

اگرچه هر دو SAP و SPH از نظر ساختار متخلخل هستند ، اما در مقایسه با جدول ۳ متفاوت از یکدیگر هستند . SPH ها بدون در نظر گرفتن اندازه آنها در حالت خشک ، بلافاصله متورم می شوند . ۶۹ مونومر مشابه راه حل می تواند انواع مختلف جذب آب تولید شبکه های پلیمری ، مانند ساختارهای بدون منفذ، متخلخل، و superporous بسته به حضور فوم عامل ، کمک کف کننده و تثبیت کننده کف ، همانطور که در جدول ۴ نشان داده شده است . مقایسه های انجام شده در جدول ۴ بر اساس SAP و SPH است که با استفاده از اکریل آمید و اسید اکریلیک تهیه شده است .

جدول ۳ . ویژگی های عمومی هیدروژل های جاذب فوق العاده (SAP) و فوق العاده (SPH) .

نقطه مقایسه SAP ها SPH ها
مونومر معمولاً استفاده شده آکریل آمید ، اسید اکریلیک ، نمک های اسید اکریلیک از جمله آکریلات های سدیم و پتاسیم آکریل آمید ، اسید اکریلیک ، نمک های اسید اکریلیک از جمله سدیم و سولفوپروپیل آکریلات ها ، ۲-هیدروکسی اتیل متاکریلات
روش سنتز فله ، محلول ، معلق معکوس عمدتا محلول آبی
سیستم آغازین حرارتی ، ردوکس عمدتا ردوکس
ساختار متخلخل سلولهای تصادفی بسته تا نیمه باز سلولهای باز بهم پیوسته
محصول نهایی ذرات هر شکلی از جمله ذرات ، ورق ، فیلم ، میله.
برنامه های کاربردی در صورت تورم زیاد ، تورم سریع و متوسط ​​لازم است در مواردی که تورم زیاد و خیلی سریع مستقل از اندازه مورد نیاز است

جدول ۴ . فرمولاسیون های معمولی پلیمریزاسیون محلول آبی برای تهیه SAP و SPH.

مواد اولیه نقش SAP غیر متخلخل SAP متخلخل فوق العاده SPH
اکریل آمید ، اسید اکریلیک مونومر
بیساکریل آمید کراس لینکر
آب دی یونیزه حلال
پرسولفات آمونیوم اکسیدان
تترامتیل اتیلن دی آمین کاهش دهنده
اسید استیک یخچالی کمک کف کننده  
سدیم بیکربنات عامل فوم ساز  
کوپلیمر بلوک PEO-PPO-PEO تثبیت کننده فوم    
شروع دمای واکنش (° C)   ۲۵ ۲۵ ۲۵
دمای واکنش   در عرض ۳۰  ثانیه (پس از ۱۵  ثانیه دوره مهار) دمای واکنش از ۲۵ به حدود ۷۵  درجه سانتیگراد با سرعت حدود ۲ افزایش می یابد  درجه سانتی گراد در ثانیه افزایش می یابد در عرض ۶۶  ثانیه (پس از ۸۰  ثانیه دوره مهار) دمای واکنش از ۲۵ به حدود ۶۵  درجه سانتی گراد با سرعت حدود ۱  درجه سانتی گراد در ثانیه افزایش می یابد در طی ۷۸  ثانیه (بعد از ۸۰  ثانیه دوره مهار) دمای واکنش از ۲۵ به حدود ۵۵  درجه سانتی گراد با سرعت حدود ۰٫۷  درجه سانتی گراد در ثانیه افزایش می یابد
محصول واکنش پس از سنتز   هیدروژل جامد جامد کف ناپایدار انعطاف پذیر جامد کف پایدار انعطاف پذیر جامد

تهیه هیدروژلهای بسیار جاذب و فوق متخلخل

در مراحل آماده سازی SAP که توسط مراحل نمایش داده شده در شکل ۱۰ شرح داده شده است ، روش عمومی زیر بدون در نظر گرفتن نوع مواد استفاده شده اعمال می شود. از آنجا که مونومرهای آب دوست از گرمای پلیمریزاسیون بسیار بالایی برخوردارند ، به طور معمول پلیمریزاسیون عمده آنها با یک واکنش گرمازا و شدید همراه است که منجر به ساختاری ناهمگن می شود ، اصطلاحاً محصول ذرت بو داده بدون خاصیت جذب آب.

blank

  1. بارگیری: بارگیری تصویر در اندازه کامل

شکل ۱۰ . مراحل مقدماتی در تولید SAP و SPH.

به دلیل پدیده ای که در بالا توضیح داده شد ، ابتدا مونومر با مقدار مشخصی آب رقیق می شود تا به غلظت مونومر دلخواه برسد (مرحله ۱). رقت با آب همچنین کار با مونومرها را آسان می کند. به عنوان مثال ، اسید اکریلیک یخبندان رقیق شده در آب به دلیل دمای انجماد پایین تر ، در مقایسه با اسید اکریلیک دارای خواص فوق العاده هدایت است [۶۹] .

به طور معمول ، مونومر در آب و در دمای اتاق تحت اختلاط ملایم مخلوط می شود. برای تولید سوپرجاذب یونی ، مونومرها ، مانند اسید اکریلیک ، ممکن است تا حدی خنثی شوند ، به طور معمول تا ۷۵ مول درصد (مرحله ۲) ، و به دنبال آن یک اتصال دهنده عرضی (مرحله ۳) خنثی شود . از آنجا که خنثی سازی می تواند با آزاد شدن ناگهانی مقادیر قابل توجهی گرما همراه باشد ، ممکن است یک راکتور دو سطح مجهز به کت یا کویل خنک کننده خارجی یا داخلی استفاده شود. 

تمام پلیمرهای جاذب فوق جاذب برای داشتن مقادیر زیادی منافذ لازم برای دستیابی به خاصیت جذب سریع آب تولید می شوند [۷۰] . این خاصیت به طور معمول با تولید حباب های گاز قابل دستیابی است. برای تولید کف در طی پلیمریزاسیون ، کمک کف کننده ای مانند اسید استیک یخبندان به محلول مونومر اضافه می شود (مرحله ۴). برای پلیمریزاسیون ترویج ، معمولاً از آغازگرهای حرارتی و ردوکس ، مانند پرسولفات آمونیوم یا پرسولفات پتاسیم استفاده می شود. اکسیدان و احیا کننده تحت مخلوط ملایم به محلول مونومر اضافه می شوند (مراحل ۵-۶). حباب های گاز با افزودن ماده کف کننده وابسته به اسید ، مانند بی کربنات سدیم ، تولید می شوند (مرحله ۷).شکل ۱۳ نشان دهنده یک نمودار شماتیک از مراحل پس از آماده سازی هر دو پلیمر SAP و هیدروژل SPH است.

  1. بارگیری: بارگیری تصویر در اندازه کامل

شکل ۱۳ . نمودار شماتیک راکتور دسته ای .

هیدروژل های فوق العاده منفذ از طریق افزودن یک تثبیت کننده کف در طی فرآیند تولید می شوند (مرحله ۴) از آنجا که پایداری کف برای تولید SPH های همگن ضروری است ، از سورفاکتانت ها مانند کوپلیمرهای سه قلوچه PEO – PPO – PEO در طی مراحل آماده سازی استفاده می شود. محلول سورفاکتانت آبی به محلول مونومر اضافه شده و تحت اختلاط ملایم مخلوط می شود. گام منحصر به فرد دیگر در تولید SPH ها ، استفاده از آغازگرهای زوج ردوکس مانند پرسولفات آمونیوم / متابیسولفیت سدیم یا پرسولفات پتاسیم / متابیسولفیت سدیم است (مراحل ۵-۶). تقریباً تمام SPH ها با استفاده از یک زوج اکسیدان / کاهنده تولید می شوند ، در حالی که SAP ها از طریق هر دو سیستم حرارتی و ردوکس تولید می شوند .

واکنش هایی که در تهیه SAP ها و SPH ها دخیل هستند ، پلیمریزاسیون با اتصال متقابل (که به آن ژله سازی نیز معروف است) و کف کردن است. پراکندگی و انحلال بی کربنات (مرحله ۷) pH محیط واکنش را به حدی افزایش می دهد که در آن شروع کننده سریعتر تجزیه می شود. با رسیدن تشکیل رادیکال های آغازگر به سطح مشخصی ، واکنش پلیمریزاسیون به سرعت پیش می رود و مخلوط واکنش گران می شود. همزمان ، بی کربنات با جز component اسیدی سیستم تعامل می کند و گازهای CO ۲ مورد نیاز برای فرآیند دمش را تولید می کند. دو فرآیند ، یعنی فرآیندهای ژلاسیون و کف سازی باید به گونه ای انجام شوند تا کف سازی و ژلاسیون هماهنگ را امکان پذیر کند.

از آنجا که به طور معمول از هیچ تثبیت کننده کف در تهیه SAP استفاده نمی شود ، کف خود به خود زیر وزن خود فرو می ریزد و در حجم کمتری جمع می شود. بنابراین ، ساختارهای منافذ به روشی کنترل شده حفظ نمی شوند. سازگاری هیدروژل پس از تشکیل می تواند بر تثبیت کننده کف تأثیر بگذارد. به عنوان مثال ، پلیمریزاسیون محلولهای مونومر بسیار غلیظ منجر به ژل شدن ناگهانی مخلوط واکنش دهنده به یک محصول شکننده و جامد می شود. بنابراین ، از تحرک زنجیره های پلیمری جلوگیری می شود و از این رو می توان منافذ را تا حدی حفظ کرد. سپس محصول کف شده خشک شده و بصورت مکانیکی آسیاب می شود [۶۹] .

در مورد SPH ها ، محصول کف تهیه شده به غیر حلال ها ، معمولاً اتانول ، آغشته می شود تا کم آب شود. کمبود آب بدن با استفاده از اتانول به ثبات محصول کف شده و جلوگیری از جمع شدن آن کمک می کند. کم آبی کامل منجر به تولید یک محصول متخلخل جامد و شکننده می شود که به دلیل ترکیب ناهمگن پلیمر و منافذ سفید رنگ است. شکل ۱۱ نشان دهنده یک طرح مقایسه ای پس از آماده سازی بین SAP ها و SPH ها و بازتاب آن در ویژگی های فنی آنها است [۶۹] .

blank

  1. بارگیری: بارگیری تصویر در اندازه کامل

شکل ۱۱ . مراحل پس از آماده سازی SAP ها و SPH ها.

SPH های نسل اول (SPH های معمولی ، CSPH ها)

در سال ۱۹۹۹ ، چن و همکاران [۷۱] SPH ها را برای اولین بار با سینتیک تورم سریع و خاصیت فوق جاذب آماده کرد. در SPH های معمولی ، مونومرهای متداول برای تهیه نسل اول SPH ها اکریل آمید بسیار آب دوست و نمک های اسید اکریلیک هستند. SPH های خشک سخت و شکننده هستند ، اما ماهیت آب دوستانه پلیمر منجر به پلاستیسیته ناشی از رطوبت از ساختارهای سخت به ساختارهای نرم و انعطاف پذیر می شود. SPH های خشک شده تا اندازه زیادی بزرگ می شوند ، بزرگتر از چند صد برابر حجم خود در حالت خشک شده.

به دلیل کسر بسیار کم پلیمر در حالت متورم ، کنترل SPH های متورم گاهی اوقات بدون شکستن مشکل است. هنگامی که SPH ها خشک می شوند ، ساختار متخلخل به دلیل کشش سطحی آب که زنجیرهای پلیمری را در طی فرآیند خشک شدن به هم می کشد ، متلاشی یا کوچک می شود. برای جلوگیری از این مشکل ، آب داخل SPH ها با الکل (به عنوان مثال ، اتانول) جایگزین می شود. کشش سطحی کم الکل مانع از ساختار متخلخل از فروپاشی در طول خشک شدن.

SPH های نسل دوم (کامپوزیت SPH ، SPHC)

پارک و همکاران [۷۲] ، برای اولین بار ، با اصلاح SPH های معمولی ، کامپوزیت های SPH را معرفی کرد. کامپوزیت های SPH ماتریسی از یک فاز پیوسته هستند که دارای یک فاز پراکنده تلفیقی هستند . ساختارهای ترکیبی معمولاً برای دستیابی به خصوصیات خاصی ساخته می شوند که در غیر اینصورت فقط توسط هر ماتریس حاصل نمی شود.

برای ساخت کامپوزیت های SPH ، از تورم ماتریسی ، افزودنی یا ماده ترکیبی استفاده می شود. یک ماده کامپوزیتی که در کامپوزیت های SPH استفاده می شود ، یک پلیمر آب دوست جذب کننده آب است که می تواند محلول مونومر ، اتصال دهنده متقابل ، آغازگر و اجزای باقی مانده آماده سازی SPH را جذب کند. پس از پلیمریزاسیون ، عامل کامپوزیت به عنوان نقطه محلی اتصال عرضی فیزیکی زنجیره های پلیمری تشکیل شده عمل می کند.

در طی فرآیند پلیمریزاسیون ، هر ذره عامل ترکیبی به عنوان یک راکتور جداگانه منفرد عمل می کند که در آن پلیمریزاسیون با پیوند عرضی رخ می دهد. همانطور که پلیمریزاسیون پیوند عرضی در سرتاسر محلول پیش می رود ، ذرات عامل ترکیبی متورم از طریق زنجیره های پلیمری به یکدیگر متصل می شوند. وجود ماده کامپوزیت در کامپوزیت های SPH باعث بهبود خواص مکانیکی نسبت به SPH معمولی (یعنی نسل اول) می شود ، اما کامپوزیت های SPH هنوز شکننده هستند و بنابراین با اعمال تنش ها قطعه قطعه می شوند.

این اصلاح بر روی SPH های معمولی شبیه اصلاح پلیمرهای جاذب از طریق اتصال عرضی سطح است. به طور کلی ، این نوع اصلاح منجر به ایجاد یک شبکه پلیمری مدول بالاتر در حالت متورم می شود ، که تحت مکانیسم شکستگی شکننده حساس به شکست است . برای سال های بسیاری، این نسل دوم از SPHs شده است یک ابزار تحقیقاتی جذاب برای شده peroral و روده برنامه های کاربردی تحویل مواد مخدر [۷۳] ، [۷۴] ، [۷۵] .

SPH های نسل سوم: هیبریدهای SPH

برای تولید SPH با خواص مکانیکی یا الاستیک بسیار بالا ، نسل سوم SPH بر اساس هیبریدهای SPH ساخته شد [۷۶] ، [۷۷] . بر خلاف کامپوزیت های SPH که در آن یک ماده افزودنی تورم ماتریسی بهم پیوند خورده اضافه می شود ، هیبریدهای SPH با افزودن یک ماده ترکیبی که پس از تشکیل SPH می تواند بهم پیوند خورده باشد ، تهیه می شوند. عامل ترکیبی یک پلیمر محلول در آب یا قابل پخش در آب است که می تواند از طریق پیوند متقابل شیمیایی یا فیزیکی ، ساختار متقاطع ایجاد کند.

نمونه هایی از عوامل ترکیبی ، پلی ساکاریدها شامل سدیم آلژینات ، پکتین ، کیتوزان یا پلیمرهای دوستدار محلول در آب مانند پلی (وینیل الکل) هستند. با تشکیل شبکه دوم ، کل سیستم شبیه شبکه های پلیمری نفوذی می شود.

نمونه ای از هیبریدهای SPH تولید SPH بر پایه آکریل آمید در حضور آلژینات سدیم و به دنبال آن اتصال متقابل زنجیرهای آلژینات توسط یون های کلسیم است.. یکی از خصوصیات منحصر به فرد هیبریدهای SPH این است که ژل ها در حالت متورم بسیار کشسان هستند. در مقایسه با SPH های معمولی و کامپوزیت های SPH ، هیبریدهای SPH هنگام کشش به راحتی شکستنی نیستند. خواص الاستیک و لاستیک ، هیبریدهای SPH را برای کاربردهای مختلف که ژل های انعطاف پذیر ترجیح داده می شوند ، انتخاب می کنند. انعطاف پذیری SPH های کاملاً متورم شده در آب قبلاً مشاهده نشده است. هیبریدهای SPH متورم در آب می توانند در برابر تنش های مختلف ، از جمله کشش ، فشرده سازی ، خم شدن و پیچ خوردگی مقاومت کنند. خصوصیات عمومی ساختاری ، تورمی و مکانیکی نسلهای مختلف SPH در نشان دادهشکل ۱۲ .

  1. بارگیری: بارگیری تصویر در اندازه کامل

شکل ۱۲ . تورم معمولی و خصوصیات مکانیکی: نسل اول (A و B) ، دوم (C و D) و سوم (E و F) SPH.

جنبه های طراحی راکتور پلیمریزاسیون دسته ای

اکثر راکتورهای صنعتی برای تولید پلیمرهای کالایی در شرایط راکتور غیرهم دما ، دسته ای یا نیمه دسته ای کار می کنند. در ابتدا ، دمای جرم واکنش از دمای محیط به نقطه تعیین شده با بیشترین سرعت ممکن افزایش می یابد ، و سپس ، یا یک سابقه دمایی هم دما یا غیر همدما تحمیل می شود. سه چالش اصلی در این زمینه وجود دارد ، به عنوان مثال ، ماهیت گرمازایی واکنش پلیمریزاسیون ، ویسکوزیته توده واکنش با پلیمریزاسیون افزایش می یابد ، و در دسترس نبودن سنسورهای آنلاین برای نظارت بر متغیرهای حالت (تبدیل مونومر x متر و میانگین وزن مولکولی وزن M w) توصیف سیستم. آخرین مورد باعث ایجاد حسگرهای نرم افزاری شده است که می توانند خصوصیات توده واکنش را با استفاده از اندازه گیری های ثانویه ، مانند دما ، گرانروی و متغیرهای مربوطه پیش بینی کنند (به عنوان مثال ، ورودی برق به موتور همزن سرعت ثابت) ، حذف گرما از راکتور و غیره Chien و Penlidis [۷۸] یک بررسی گسترده از سنسورهای آنلاین برای راکتورهای پلیمریزاسیون ارائه داده اند .

راکتور دسته ای مخزن هم زده هنوز هم در آزمایشگاه و هم در صنعت پرکاربردترین نوع راکتور است. راکتور دسته ای راکتی است که در آن یک ماده خوراکی به عنوان یک کل برای مدت زمان مشخصی تصفیه می شود ( شکل ۱۳) ).

در طی برخی از واکنش های پلیمریزاسیون ، ویسکوزیته در محدوده زیادی متفاوت است و سطح مایع ثابت نیست. اگر اختلاط در همه زمانها و در هر نقطه از راکتور دسته ای به خوبی انجام نشود ، انجام واکنش دشوار است و کیفیت محصولات می تواند بسیار تحت تأثیر قرار گیرد.

لو کاردینال و همکاران ، [۷۹] ، در مخازن سرقت آزمایشگاهی ، عملکرد سه پروانه را که در محدوده های ویسکوزیته بالا موثر شناخته شده است ، مقایسه کردند .

میکسر روبان با پیچ در اطراف محور.

میکسر پیچ با چهار دکل.

میکسر دو روبان.

سه پروانه ( شکل ۱۴ ) که در محلولهای چسبناک نیوتنی م effectiveثر شناخته شده اند ، راکتورهای دسته ای هستند که ممکن است برای تولید در مقیاس کوچک محصولات با قیمت بالا ترجیح داده شوند ، به خصوص اگر بسیاری از عملیات های پی در پی برای دستیابی به بازده بالا محصول انجام شود. راکتورهای دسته ای نیز ممکن است در مواقعی که با مایعات کاملاً چسبناک یا چسبنده از مواد جامد تولید می شوند ، در صورت تولید تجهیزات متعدد و کم حجم در تجهیزات یکسان یا تولید جریان مداوم ، توجیه شوند. از آنجا که زمان ماند می تواند در راکتورهای دسته ای یکنواخت تر باشد ، ممکن است بازدهی بهتر و انتخاب پذیری بالاتری نسبت به راکتورهای مداوم بدست آید.

blank

  1. بارگیری: بارگیری تصویر در اندازه کامل

شکل ۱۴ . نمودار شماتیک پروانه های مورد استفاده در محدوده ویسکوزیته بالا.

نتیجه گیری

اخیراً بسیاری از شبکه های مبتنی بر هیدروژل برای پاسخگویی به نیازهای برنامه های مختلف طراحی و تنظیم شده اند. خاصیت مطلوب این هیدروژل ها توانایی متورم شدن در هنگام تماس با محلول آبی است. بررسی ارائه شده ادبیات مربوط به طبقه بندی هیدروژل ها بر اساس مختلف ، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی این محصولات و امکان فنی را نشان می دهد استفاده از آنها نشان داده شده است.

این همچنین شامل فن آوری های اتخاذ شده برای تولید هیدروژل همراه با مفاهیم طراحی فرآیند ، نمودارهای بلوکی و شرایط بهینه شده فرآیند آماده سازی است. دسته ای نوآور از نسل های اخیر مواد هیدروژل نیز در برخی جزئیات ارائه شده است. هیدروژل های فوق متخلخل مواد جدیدی هستند که صرف نظر از اندازه اصلی خود ، به سرعت در اندازه بزرگ متورم می شوند. نسل های مختلف SPH برای رفع نیازهای برنامه های خاص تکامل یافته اند. بر اساس بررسی ادبیات ، می توان نتیجه گرفت که راکتورهای دسته ای یا نیمه دسته ای راکتورهای مناسب برای فرآیندهای پلیمریزاسیون هستند. متغیرها برای راکتورهای دسته ایشامل دما ، فشار ، زمان چرخه دسته ای ، مقدار واکنش دهنده ها و استراتژی افزودن خوراک است. متغیرهای بهینه سازی مانند زمان چرخه دسته ای و مقدار واکنش دهنده متغیرهای مداوم با مقادیر ثابت برای یک سیستم راکتور دسته ای خاص هستند که عمدتا به تعادل مواد و انرژی بستگی دارد . میکسر روبان با یک پیچ در اطراف محور ، میکسر پیچ با چهار دکل و میکسر دو روبان سه پروانه هستند که در محدوده های ویسکوزیته بالا موثر شناخته می شوند.

منبع sciencedirect

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.