Anna Piecyk

Piotr Pesta

Andrzej Miłek

Małgorzata Baran

Ewelina Kalinowska

Justyna Wojtkiewicz

Magdalena Ciekańska

Magdalena Olejniczak

Magdalena Ambroziak

Ćwiczenie 6

Otrzymywanie „inteligentnych” hydrożeli

Data wykonania ćwiczenia: 03.01.2011

Data oddania sprawozdania:09.01.2011Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było wytworzenie „inteligentnych” hydrożeli i zbadanie ich właściwości tj. ich reakcji na zmiany pH i temperatury.

Wstęp teoretyczny:

Polielektrolit to elektrolit dysocjujący z wytworzeniem polikationów lub polianionów ( jonów o ładunku wielokrotnym). Polielektrolity można podzielić na syntetyczne, naturalnie zmodyfikowane, oraz naturalne polielektrolity. Ostatnia grupa jest bardzo ważna w badaniach i zastosowaniach biologicznych, biochemicznych. Oczywistym podziałem jest podział ze względu na ładunek jakim jest obdarzony polimer. Wyróżnia się polikationy, polianiony oraz poliamfolity, które mają zarówno grupy kwasowe jak i zasadowe, charakteryzujące się punktem izoelektrycznym. Polielektrolity dzieli się na mocne i słabe. Mocne to takie, które występują w roztworach w formie praktycznie zdysocjonowanej, a słabe to takie, których stopień dysocjacji zależy od pH roztworu. Zasadniczym czynnikiem determinującym konformację makrocząsteczki w roztworze są oddziaływania między jednoimiennymi ładunkami łańcucha. Siły te są częściowo ekranowane przez przeciwjony obecne w otoczeniu polijonu. Dla słabego w roztworach o niskim pH grupy kwasowe nie są zdysocjowane i makrocząsteczki nie są obdarzone ładunkiem. Przyjmują one kształt kłębka. W miarę jak środowisko staje się zasadowe rośnie liczba zdysocjowanych grup kwasowych i kłębek prostuje się, wzrasta liniowa gęstość ładunku ujemnego na łańcuchu. Siły kulombowskie powodują rozwinięcie kłębka.

Zmiana konformacji makrocząsteczki polielektrolitu przejście od konformacji typu kłębka (a) do konformacji zbliżonej do liniowej (c)

Efekt ten jest bardzo wyraźny dla poli(kwasu akrylowego)- PAA, dlatego dla polielektrolitów o stosunkowo wysokiej gęstości liniowej ładunku przyjmuje się zazwyczaj liniowy model łańcucha. Istotną cechą układów zawierających PAA jest ich zdolność do reagowania na zmiany niektórych parametrów otoczenia, przede wszystkim pH i siły jonowej roztworu. Podobnie pojedyncze łańcuchy wykurzają się w środowisku kwaśnym i przyjmują konformację liniową w roztworach alkalicznych, tak i hydrożele PAA kurczą się bądź zwiększają swoje wymiary pod wpływem zmian otoczenia nie tracąc przy tym kształtu. Zmiany te są całkowicie odwracalne.

Opis ćwiczenia:

1. Hydrożel reagujący na zmiany pH

Przygotowaliśmy 50 ml 20% wodnego roztworu PEGDA (związek sieciujący). Do zlewki odmierzyliśmy 10 ml tego roztworu i dodaliśmy 1 ml, 1M NaOH. Stale mieszając dodaliśmy powoli 10 ml 5% wodnego roztworu PAA ( poli(kwas) akrylowy)). Po uzyskaniu homogenicznego roztworu przenieśliśmy go za pomocą strzykawki po około 8 ml do 2 ampułek. Zawartość ampułek poddaliśmy nasycaniu podtlenkiem azotu przez 30 min. Ampułki zamknęliśmy za pomocą parafilmu i poddaliśmy napromienieniu w bombie kobaltowej. Kontrolowaliśmy stan układu co 15 minut. Trwały żel otrzymaliśmy dopiero po 125 min. Ostrożnie rozbiliśmy ampułki. Przenieśliśmy próbki żelu do uprzednio zważonych zlewek. Zważyliśmy próbki żelu. Jedną próbkę zalaliśmy 1 M NaOH, drugą zaś 1 M HCl po około 20 ml. Pozostawiliśmy próbki w zlewkach po czym po ok.10 min. odlaliśmy ciecze i ponownie zważyliśmy zlewki z żelem.

II. Hydrożel reagujący na zmiany temperatury

Odmierzyliśmy do zlewki 5 ml 10% wodnego roztworu poli(eteru winylowo metylowego) - PVME. Dodaliśmy 10 ml wody oczyszczonej i wymieszaliśmy. Mieszając dodaliśmy 15 ml 20% roztworu PEGDA. Przenieśliśmy za pomocą strzykawki w przybliżeniu jednakowe porcje otrzymanego roztworu do dwóch ampułek. Zawartość ampułek poddaliśmy nasycaniu podtlenkiem azotu przez 30 minut. Ampułki zamknęliśmy za pomocą parafilmu i poddaliśmy napromienieniu w bombie kobaltowej. Kontrolowaliśmy stan układu co 15 minut. Trwały żel otrzymaliśmy po 105 min. Rozbiliśmy ostrożnie ampułki. Wyjęliśmy próbki żelu, przenieśliśmy do małych zlewek, zważyliśmy a następnie zalaliśmy wodą destylowaną. Posługując się płytą grzejną i termometrem oszacowaliśmy temperaturę, przy której następuje przemiana fazowa. Po 15 minutach wyjęliśmy po kolei próbki żelu i zważyliśmy próbki.

Opracowanie wyników:

Hydrożel reagujący na zmiany pH

Zmierzone parametry próbek hydrożelu

		Przed zanurzeniem			Po zanurzeniu
Próbka	Roztwór	Waga zlewki [g]	Waga zlewki z próbką [g]	Waga zlewki z próbką [g]
1	NaOH	44,80	45,90	46,23
2	HCl	44,10	44,65	44,60

Po kilku minutach od zalania próbek kwasem i zasadą (około 20 ml), dostrzegliśmy zmiany w wyglądzie próbek. Próbka umieszczona w roztworze kwasu zrobiła się na początku mętna a jej rozmiar uległ zmniejszeniu. Próbka w roztworze zasady zaczęła się robić przezroczysta. Zauważalna była granica miedzy zewnętrzną przezroczystą warstwą żelu a trzpieniem w środku.

Obliczenia procentowej zmiany masy wywołane działaniem roztworów wodorotlenku i kwasu:

Próbka 1 (NaOH)

1,43-1,1=0,33

n=(0,33/1,1)*100%=30 %

Próbka 2 (HCl)

0,5-0,55=-0,05

n=(0,05/0,55)*100%=9,09 %

Hydrożel reagujący na zmiany temperatury

	Masa [g]
Próbka	Waga zlewki	Przed ogrzaniem	Po ogrzaniu
1	41,27	46,59	43,34

Żel termoczuły w ampułce i żel przeniesiony z drugiej ampułki do zlewki zostały podgrzane na płycie grzejnej aby zmierzyć temperaturę przejścia fazowego. Z próbki z żelem w zlewce odlaliśmy nadmiar wody póki próbka była gorąca. Żel miał konsystencję lekko ściętą o barwie mlecznej.

Podczas ogrzewania ampułki z żelem przemiana fazowa rozpoczęła się w temperaturze 37 ^oC a zakończyła w 38 ^oC . Podczas stygnięcia przemiana fazowa rozpoczęła się w temperaturze 37^oC a zakończyła w 34^oC. Żel zaczął się rozpuszczać i powracać do stanu początkowego po napromienianiu. A więc proces jest odwracalny. Wynika stąd też fakt, że skoro przemiana fazowa termoczułego żelu zachodzi w temperaturze bliskiej temperaturze ludzkiego ciała, to znajdują one zastosowanie w medycynie.

Procentowe zmiany masy:

Próbka 1

2,07-5,32=-3,28

n=(3,28/5,32)*100%=61,65%

Wnioski:

Nasze doświadczenie dowiodło, że w roztworze kwaśnym hydrożel, którego głównym składnikiem był PAA kurczy się a w roztworze zasadowym zwiększa swój rozmiar. Kurczenie jest spowodowane obecnością mniejszej liczby grup dysocjowanych na łańcuchach usieciowanego polimeru. Natomiast hydrożel w roztworze wodorotlenku powiększył swoje rozmiary, co było wynikiem rozluźniania sieci hydrożelu z powodu wzrostu liczby zdysocjowanych grup funkcyjnych. Zmierzyliśmy reakcje hydrożelu z PVME na temperaturę. Pod wpływem rosnącej temperatury żel w ampułkach stawał się mętny, co oznaczało ze wytrącał się polimer z roztworu, natomiast po ostudzeniu do temperatury pokojowej stawał się znów przezroczysty.

Literaturowa temperatura przejścia fazowego PVME wynosi 37 ^oC (źródło: nano.p.lodz.pl) co pokrywa się z temperaturą przejścia fazowego naszego badanego termoczułego żelu.

---