منسوجات و پوشش‌های مقاوم حرارتی، هایدروژل‌ ها

منسوجات و پوشش‌های مقاوم حرارتی

 قسمت ششم: هایدروژل‌ ها

 

علی صفوی، پیمان آقاسیلو

دکترای مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشکده مهندسی نساجی،

دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مجتمع تحقیق و توسعه شهید میثمی


چکیده

در قسمت­های قبلی از سری مقالات منسوجات و پوشش­های مقاوم در برابر حرارت، مفاهیم، مواد و برخی روش­های مقاوم­سازی منسوجات در مقابل آتش و حرارت بیان گردید. در این مقاله، گروهی دیگر از ترکیبات مقاوم حرارتی تحت عنوان هایدروژل‌ ها معرفی می­شوند.

 

مقدمه

محصولات هایدروژلی، گروهی از مواد پلیمری را تشکیل می­دهند که ظرفیت نگهداری مقادیر آب بسیاری را در شبکه سه بعدیشان دارا هستند. امروزه بکارگیری این مواد در حوزه­های کاربردی صنعتی و محیط زیستی از اهمیت بالایی برخوردار است و انتظار می­رود هایدروژل­های طبیعی، به سبب ظرفیت جذب آب بیشتر، طول عمر بالاتر و گستره وسیع منابع خام، به تدریج با انواع شیمیاییشان جایگزین گردند. به همین سبب، پژوهش‌های بسیاری جهت بکارگیری این مواد در زمینه­های مختلف و به ویژه مهندسی در حال انجام است. همانطور که می­دانیم آب دارای ظرفیت گرمایی ویژه بسیار بالایی نسبت به اکثر ترکیبات دیگر موجود در طبیعت است. ظرفیت حرارتی بالا،  این قابلیت را ایجاد می­کند تا در برابر حرارت آب و هر ساختار حاوی مولکول­های آبی جهت افزایش دما به اندازه یک درجه،  نیاز به دریافت انرژی بسیار زیادی نسبت به سایر مواد باشد. این مساله نیز به نوع خود، سبب ایجاد یک تاخیر بالا در افزایش حرارت و به دنبال آن تخریب ساختارهای حاوی آب می‌گردد. از این رو، این خاصیت هایدروژل­ها که می‌توانند میزان زیادی از آب را تا چند صد برابر وزن خود ذخیره نمایند، فرصتی را پدید ­آورد تا بتوان شاهد افزایش پایداری حرارت این ساختار و هر ساختاری باشد که بوسیله چنین هایدروژلی محافظت می‌گردد.

 

آشنایی با ساختارهای هایدروژلی

هایدروژل­ها، گروهی از پلیمرها (کوپلیمرها) با شبکه‌ای از زنجیرهای پلیمری دارای اتصال عرضی هستند.  ساختارهای آنها، دارای ریز ساختمانی با نظم­های مختلف و ناهمگن است. جهت آماده­سازی هایدروژل­ها می‌توان از روش­های متعددی استفاده نمود. غالباً، هایدروژل­ها از مونومرهای قابل حل در آب ساخته شده‌اند که از طریق برهمکنش­های پلیمریزاسیون رادیکالی تشکیل می­شوند. محبوب­ترین مونومرها نیز برای تولید این سازه‌ها، اکریلیک اسید، اکریل آمید و مشتقات آن­ها هستند. این مونومرها بوسیله محلول آبی یا دیگر روش­های پلیمریزاسیون، می­توانند در سنتز هوموپلیمرهای کراس لینک شده و کوپلیمرهای شامل کومونمرهای مختلف استفاده گردند. همچنین، می­توانند به دیگر موادی نظیر الیاف پلی­اتیلن ترفتالات (PET) و برخی درشت مولکول­های طبیعی پیوند داده شوند تا هایدروژل بدست آید. از جمله برخی مواد طبیعی که به عنوان هایدروژل مورد استفاده قرار می­گیرند، می­توان به کیتوسان اشاره نمود.

هایدروژل­های نرم و مرطوب،  برپایه پلیمرهای آب دوست کراس لینک شده هستند. برخی هایدروژل­ها، پلی الکترولیت‌های کراس لینک شده با گروه­های یونی، روی زنجیرهای درشت مولکول‌ها می‌باشند و به همین دلیل، ژل­های پلی الکترولیت خواص شیمیایی و فیزیکی یگانه­ای دارند. در حالی که آن­ها می­توانند مقدار زیادی مولکول­های آب را در منافذ خود نگه دارند اما، در محلول­های آبی حل نمی­شوند. علت این مساله، وجود گروه‌های یونی روی زنجیره ماکرومولکول‌ها است، چرا که، پلی الکترولیت یک میدان بالقوه الکترواستاتیک اطراف این زنجیرهای ماکرومولکولی دارد. از این رو، می­توانند کاتیون­ها یا آنیون­های مشخصی را جذب نمایند تا تشکیل یک ترکیب دهند.

یکی از مهمترین کاربردهای هایدروژل­ها، اتصال و نگهداری یون­های فلزی خصوصاً یون­های سنگین­تر از آب است. مکانیزم جذب یون­های فلزی، بوسیله ساختار شیمیایی سه بعدی لیگاند، آبدوستی و چگالی بار پلی‌الکترولیت تعیین گردیده است. لازم به ذکر است یون­های فلزی سنگین، برای انسان و محیط زیست سمی و مضر هستند. برای مثال، یون­های مس می‌توانند به کبد و کلیه آسیب رسانده و موجب کم‌خونی گردند.

 

طبقه بندی هایدروژل­ها

با تشکیل اولین هایدروژل مصنوعی توسط ویکترل و لیم در سال ۱۹۵۴، این تکنولوژی می­تواند در محصولات بهداشتی، کشاورزی، سیستم‌های رهایش دارو، آب بندی، آبگیری زغال سنگ، برف مصنوعی، افزودنی­های غذایی، داروها، کاربردهای بیو پزشکی، مهندسی بافت و داروهای احیا کننده، پانسمان، جدایی مولکول­های زیستی و سلول­ها، مواد مانع در چسبندگی بیولوژیکی و بایوسنسورها مورد استفاده قرار گیرد.

محققان در طول این سال­ها، تعاریف بسیاری برای هایدروژل مطرح نموده­اند. متداول­ترین این تعاریف این است که هایدروژل­ها، شبکه­های پلیمری آب دوست و کراس لینک شده (دارای اتصلات عرضی) هستند که توسط برهمکنش‌های ساده­ای، میان یک یا چند مونومر تولید می­گردند. از جمله دیگر تعاریف آن، این است که است هایدروژل­ها مواد پلیمری هستند که توانایی تورم و نگهداری بخش قابل توجهی آب را در ساختارشان دارند؛ آن هم بدون آنکه در آب حل گردند. در ۵۰ سال گذشته، هایدروژل­ها توجه بسیاری را جهت استفاده در محدوده وسیعی از کاربردها به خود معطوف داشته‌اند. توانایی جذب آب در هایدروژل­ها به حضور گروه­های عاملی آبدوستشان برمی‌گردد؛ درحالی که، مقاومتشان در برابر انحلال در آب ناشی از اتصالات عرضی مابین زنجیرهای پلیمرشان می­باشد.

محصولات هایدروژلی می­توانند در دسته­های متفاوتی تقسیم بندی گردند:

الف) طبقه‌بندی بر مبنای نوع شبکه­ای شدن:

این ویژگی، از اهمیت خاصی برخوردار است.

ب) طبقه بندی بر مبنای منبع:

  • طبیعی
  • مصنوعی

منابع اصلی هایدروژل­ها، به دو دسته اصلی ترکیبات طبیعی و ترکیبات مصنوعی (مشتقات نفتی) تقسیم می­گردند. گفتنی است که دسته اول هایدروژل­ها را می­توان به دو دسته پایه پلی­ساکاریدها و پایه پلی­پپتیدها(پروتئین‌ها) دسته بندی نمود. عموماً، هایدروژل­های طبیعی با افزودن ترکیباتی مصنوعی بر روی بسترهای طبیعی نظیر کوپلیمریزاسیون پیوندی مونومر وینیل بر روی پلی­ساکاریدها انجام می­گیرند.

بیشترین حجم هایدروژل­ها، شامل ترکیبات تماماً مصنوعی و یا محصولات پتروشیمی است که عموماً این هایدروژل‌ها از اکریلیک اسید تولید می‌شوند. با توجه به خواص منحصر به فرد هایدروژل‌های طبیعی و تمایل به جایگزینی آنها با انواع شیمیاییشان، پژوهش­های بسیاری جهت بکارگیری این مواد در حوزه های مختلف و به ویژه مهندسی در حال انجام است.

ج) طبقه بندی بر مبنای ترکیب پلیمری:

۱)  هایدروژل­های هوموپلیمری که به شبکه­های پلیمری مشتق شده از یک گونه مونومر اشاره دارد:

این هایدروژل‌ها، می­توانند بسته به طبیعت مونومریشان و یا روش پلیمریزاسیون، ساختار زنجیره­ای اتصال عرضی داده شده­ای داشته باشند.

۲) هایدروژل­های کوپلیمری که از دو یا چند گونه مونومر با حداقل یک جز آبدوست تشکیل شده­اند:

در این حالت، صورت بندی­های مختلفی از تصادفی، بلوکی (گروهی) و یا متناوب می­تواند در طول زنجیره پلیمری شبکه شکل گیرد.

۳) هایدروژل­های در هم تنیده چند پلیمری(IPN) که دسته­ای مهم از هایدروژل­ها می‌باشد:

این هایدروژل‌ها،  از دو جزء پلیمری طبیعی یا مصنوعی متصل به یکدیگر و مستقل درون شبکه‌ای ساخته شده­اند. در هایدروژل­ها شبه IPN ، یک جزء کراس لینک شده و یک جزء غیر کراس لینک است.

 

ه) طبقه بندی بر اساس نوع اتصالات عرضی:

هایدروژل­ها را می­توان با توجه به طبیعت اتصالات عرضی نیز تقسیم بندی نمود. شبکه اتصالات عرضی شیمیایی، دارای اتصالاتی دائمی و پایدار هستند؛ در حالی که،  اتصالات فیزیکی اتصالاتی ناپایدار ناشی از درگیری زنجیرهای پلیمری، برهمکنش‌های فیزیکی نظیر برهمکنش­های یونی یا برهمکنش‌های آبگریز هستند.

 جذب آب و پدیده تورم

پلیمر خطی پلی­اکریلیک اسید و پلیمر کراس لینک شده آن، هر دو به سبب حضور گروه­های کربوکسیل در زنجیره مولکولی خود، آب دوست هستند که  این ساختارهای شبکه­ای پلیمری، قادر به جذب مقادیر بسیار زیاد آب به خود می‌باشند و همین جذب آب، مهمترین ویژگی آن­هاست. از این رو، این هایدروژل­ها را تحت عنوان پلیمرهای ابر جاذب آب نیز معرفی می­نمایند. در ادامه، به بررسی جزئی­تر و دقیق­تر این ساختارها می پردازیم.

هایدروژل‌ها، پلیمرهایی با پیوندهای عرضی هستند و یا به عبارتی، گروهی از شبکه­های پلیمری هستند که زنجیرهای آن با اتصالات عرضی به یکدیگر متصل شده‌اند و به دلیل خصوصیات یونی و نوع بهم پیوستگی آنها در ساختار پلیمر، حفره­هایی بوجود آمده که باعث می­شود مقدار زیادی آب و محلول‌های آبی را بدون اینکه در آنها حل شوند، به خود جذب نمایند .هایدروژل­ها،  قابلیت متورم شدن داشته و صدها برابر وزن خود آب جذب می­کنند و لذا به آنها فوق جاذب یا Supper Absorbent گویند. توانایی آنها در متورم شدن، بستگی به pH، دما و قدرت یونی محیط، نوع حلال و ساختار پلیمری دارد.

رفتار پلیمرهای فوق جاذب به ظرفیت ورم کردن (مقدار جذب مایع بوسیله پلیمر خشک (و استحکام یا سفتی ژل ورم کرده بستگی دارد. این دو خاصیت،  با توجه به دانسیته اتصال دهنده عرضی می­تواند در حین ساخت پلیمر تغییر کند. با کاهش دانسیته اتصال دهنده عرضی، ظرفیت ورم کردن افزایش می‌یابد، اما سختی و یا استحکام ژل کاهش پیدا می‌کند. کیفیت نهایی پلیمر، بستگی به موازنه بین دوخاصیت دارد. بنابراین، میزان اتصال دهنده عرضی در مقدار جذب آب نقش بسزایی دارد.

هایدروژل ها

شکل۱- نمودار اندازه گیری سطح مخصوص BET برای اندازه منافذ مختلف

 

از جمله دیگر علل جذب آب بالا در این نوع هایدروژل­ها، یونش بارهای پایدار درون آنهاست. به همین دلیل، هایدروژل­های متورم به راحتی، آب ذخیره شده در درون خود را تحت تاثیر نیروهای خارجی از دست نمی­دهند. در شکل ۲، می­توان تاثیر سانتریفیوژ شدن را مشاهده نمود که به دلیل نبود همین یونش بارها، هایدروژل­ها درون محلول­های آلی نظیر متیلن گلیکول و متانول به میزانی اندکی به دلیل جمع شدگی زنجیرها، متورم می‌گردند.

هایدروژل ها

شکل۲- تاثیر سانتریفیوژ شدن هایدروژل بر میزان جذب آب آن

 

جهت اندازه گیری میزان جذب آب هایدروژل، نمونه­ای از هایدروژل در آون قرار داده شد تا به طور کامل خشک گردد. سپس نمونه خشک توزین و مقدار معینی از آن، درون آب دی‌یونیزه برای ۳ روز نگه داشته شد تا به طور کامل متورم شده و به تعادل تورمی برسد. در این حالت نیز، وزن هایدروژل متورم اندازه­گیری شد. اندازه­گیری میزان تورم نیز با استفاده از رابطه ۱ محاسبه گردید که Mw و M0  به ترتیب وزن هایدروژل به تعادل تورمی رسیده و نمونه خشک هستند:

رابطه ۱: هایدروژل ها

نمودار۳،  نتایج جذب آب خالص را توسط هایدروژل کراس لینک شده سدیم اکریلات نشان می­دهد. دو محور افقی، میزان غلظت مونومر و کراس لینک کننده و محور عمودی، میزان جذب آب را نمایش می­دهد. با تحلیل و بررسی نمودار، مشاهده می­شود با افزایش غلظت مونومر (سدیم اکریلات) و نیز غلظت کراس لینک کننده، میزان جذب آب افزایش می­شود. قابل توجه است که میزان جذب آب در مقادیر بالاتری از اکریلیک اسید، به مراتب بالاتر می­رود. علت این مساله آن است که با افزایش غلظت مونومر،  میزان گروه­های کربوکسیلیک که آبدوستی بالا و قابلیت نگهداشت آب بالاتری دارند، بیشتر می‌گردد.

هایدروژل ها

شکل۳ – نمودار سه بعدی تاثیر عامل اتصال عرضی و غلظت مونومر بر جذب آب هایدروژل

 

لازم به ذکر است که این جذب آب، تنها از طریق تماس با آب اتفاق نمی­افتد. زیرا، هایدروژل­ها قادر هستند تا رطوبت محیطی را نیز به خوبی جذب نمایند. چنانکه در شکل ۴ مشاهده می­گردد، هایدروژل­های خشک نیز می­توانند آب را از رطوبت موجود در هوا تا میزان بالایی جذب نمایند.

هایدروژل ها

شکل۴- نمودار جذب رطوبت هوا توسط هایدروژل در طی زمان

 

اما،  برخلاف آن که این هایدروژل­ها توانایی بالایی در جذب آب خالص (خصوصاً آب دی یونیزه و نیز مقطر) دارند، در حلال­هایی نظیر متانول، اتانول و حتی با درصد مشخصی از نمک، جذب بسیار اندکی دارند. در مطالعه­ای که هوآ و همکارانش در این زمینه انجام داده­اند، این موضوع به روشنی نشان داده شده است. شکل ۵،  قابلیت جذب هایدروژل خشک را برای مایعات مختلفی نظیر آب دی یونیزه، محلول آبی  NaCl و دو حلال آلی نمایش می­دهد و مشاهده می­شود قابلیت جذب برای آب دی یونیزه، ۶ مرتبه بیشتر از محلول حاوی نمک است. علت این مساله هم فشار اسمزی یونی بالا در تماس با محلول است.

هایدروژل ها

شکل۵-  نمودار توانایی جذب آب و سایر حلال ها توسط هایدروژل در طی زمان

ممکن است شما دوست داشته باشید بیشتر از نویسنده

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.