Скачать презентацию
Идет загрузка презентации. Пожалуйста, подождите
Презентация была опубликована 9 лет назад пользователемСергей Бабаев
1 Сенсорные материалы на основе гидрогелей Лекция 8 Преподаватель: Успенская Майя Валерьевна
2 Такие полимерные системы называют «умными» или «восприимчивыми», smart, супервлагоабсорбентами или абсорбентами. Гидрогели представляют собой слабо сшитые полимерные сетки различной природы, которые способны реагировать на изменения параметров окружающей среды: рН, ионной силы раствора, температуры или электромагнитного воздействия и т.д.
3 Схематическое изображение полимерной сетки 3
4 Поверхность гидрогеля Поверхность сухого образца 4
5 АСМ фотография ПИПАА гидрогеля
6 Известные области применения гидрогелей Фармаколо- гия Носители лекарственных препаратов Сельское хозяйство Ускорители роста растений, искусственная почва Медицина Предметы санитар- но-гигиенического назначения, контактные линзы Промышлен- ность Осушители, сорбенты 5
7 5 Новые области применения гидрогелей индикаторы, сенсоры Сельское хозяйство искусственная почва и влагонакопители при повышенных температурах Медицина Ранозаживляющие атравматические материалы для хирургии Строитель- ство Регуляторы влажности в крупногабаритных объемах огнезащитные конструкционные материалы 38
8 Сенсорные материалы 7
9 Свойства гидрогелей Чувствительность к изменению ионного состава и рН среды;
10 Набухание тетразол содержащих гидрогелей – lg С NaCl, М Q, г/г Рис.1. Зависимость равновесной степени набухания от ионной силы внешнего электролита. [ВТ] (мол.%): 1 – 0; 2 – 7,7; 3 – 24,3; 4 – 42,9. Условия синтеза: [МБАА] = 0,05 мол.% Рис. 2. Зависимость равновесной степени набухания от рН раствора для гидрогелей с [МБАА] = 0,05 мол.% и [МВТ] (мол.%): 1 – 33,5; 2 – 9,2; 3 – 19,3; 4 – 60,
11 Определение степени набухания Способность материала к набуханию оценивается по степени набухания, которая определяется как количество поглощенной гелем жидкости, отнесенное к единице массы сополимера:
13 УФ-спектры водных растворов СuCl 2 до и после взаимодействия с тетразол содержащими гелями 1 – исходный раствор СuCl 2 (0.01М) ; М водный раствор СuCl 2. УФ-спектры растворов СuCl 2 после взаимодействия с гидрогелями различной концентрацией [ВТ] (мол.%): а) 2 - 7,7, 3 – 23,4, 4 – б) 2 - 7,7, 3 – 63,6. а)б) 10 а) б) Длина волны, нм DD
14 Свойства гидрогелей Чувствительность к изменению температуры;
15 Акриловые гидрогели являются термочувствительными системами, т.е. количество поглощенного растворителя зависит от температуры окружающей среды, повышаясь, либо понижаясь, вплоть до коллапса образца полимера. Такие полимеры называются позитивно термочувствительными – имеют ВКТР и коллапсируют при температуре ниже ВКТР; негативно термочувствительными – имеют нижнюю критическую температуру раствора и сжимаются при температуре выше НКТР.
16 Термочувствительность сополимеров винилтетразола при набухании в дистиллированной воде Т, 0 С Степень равновесного набухания Q (г/г) при соотношении концентраций [ВТ]/[МБАА] (мол.% / мол.%) 7,7 0,05 24,3 0,05 42,9 0,05 63,6 0,05 7,7 0,14 7,7 0,25 7,7 0,35 7,7 0,
17 ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ НАБУХАНИЯ ГИДРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПАА
18 Пример хемомеханического датчика на основе полимерного гидрогеля а – образец полимера в водно-ацетоновой смеси; б – после добавления осадителя; в – после добавления растворителя – воды.
19 Свойства гидрогелей Чувствительность к механическим воздействиям;
20 Свойства гидрогелей Чувствительность к внешним воздействиям (УФ-излучению и т.д.)
21 Фотография гидрогелевой пленки на основе поли- изопропиламина до (а) и после (b) облучения лазером с мощностью 0,75 Вт и = 1064 нм (по книге Electroactive Polymer Actuators as Artificial Muscles: reality, potential and challenges, SPIE PRESS, 2004).
22 Свойства гидрогелей Чувствительность к электромагнитному полю;
23 Деформация полимерного гидрогелевой пластины в однородном электрическом поле с плотностью тока 0,1 мA/мм 2.
25 Воздействие электрического поля на гидрогель (Mihoko Otake, Electroactive Polymer Gel Robots: Modeling and Control of Artificial Muscles, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010).
26 СИНТЕЗ ГИДРОГЕЛЕЙ Эмульсионная и суспензионная полимеризация Многочисленные патенты за последние 30 лет описывают получение водопоглощающих полимерных материалов методами эмульсионной и суспензионной полимеризациями. Общий принцип проведения эмульсионной полимеризации заключается в приготовлении смеси акриловых мономеров концентрацией 0 – 70 мас.%, чаще всего, нейтрализованных различными щелочами (или смесью щелочей), диспергированных в органических растворителях, преимущественно, в циклогексане, и дальнейшем синтезе в присутствии инициатора и сшивающего агента.
27 ПРЕИМУЩЕСТВА ЭМУЛЬСИОННОЙ И СУСПЕНЗИОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИЙ Позволяет получать материалы заданной формы, размеров, определенным молекулярно-массовым распределением. Исключить из технологического процесса стадию резки и дробления полимерного материала, которая является одной из самых энергозатратных, а соответственно, дорогостоящих стадий процесса. Получать частицы материала размером до нескольких микрон, что приводит к существенному увеличению скорости поглощения жидкости полученными полимерными абсорбентами. Уменьшение размера частиц акрилового сополимера с 1 – 2 мм до 0,25 – 0,50 мм увеличивает водопоглощение за первые 10 мин контакта полимера с водой с 100 г/г до 800 г/г.
28 Свободно-радикальная полимеризация в водной среде В отличие от эмульсионной полимеризации способ получения сшитых сополимеров в водной среде имеет ряд существенных преимуществ: низкая стоимость исходных компонентов, в частности растворителя – воды, и для проведения процесса не требуются дорогостоящие ПАВ и органические растворители; простая технологическая схема, т.к. не требуется стадия отмывки полученного материала от растворителей; малые энергозатраты, поскольку возможно протекание реакции при комнатных температурах.
29 Схема свободно-радикальной полимеризации акриловой кислоты с МБАА
30 Пьезорезистные химические датчики, на гидрогелевой основе Гидрогели, используемые в сенсорных элементах превращают энергию химической реакции в механическую. Используются следующие принципы для детектирования внешних параметров в сенсорах, основанных на процессе набухания материалов: Изменения центральной длины волны в оптических сенсорах на основе Брэгговских решеток; Смещение резонансной частоты кварцевого кристалла микровесов в гравиметрических сенсорах; Искривление двухслойного микромеханического кантиливера; Деформация мембраны в микромеханическом резонаторе и в пьезорезистивном сенсоре давления.
31 Химический сенсор на основе гидрогелевого материала 1 – исследуемый водный раствор; 2 – гидрогель; 3 – кремниевая мембрана; 4 - пьезорезисторы
32 Химико-механический преобразователь Исследуемый раствор Гидрогель Чувствительная пластина Пьезорезистор Мост для измерения сопротивления, мост Уитстона Механический преобразователь V, R Электрический преобразователь Механо-электрический преобразователь U Механо-электрический преобразователь: пьезочувствительный чип
33 Повышение Uout соответствует набуханию гидрогелевого материала; соответственно, понижение значения соответствует сжатию геля.
34 1 - чувствительная пластина, 2 - механо-электрический преобразователь (пьезочувствительный мост), 3 – гидрогель, 4 – Si пластина (5 мм x 5 мм x 0.3 мм); 5 – подложка, 6 – трубка; 7 – провода; 8 – исследуемый раствор; 9 Si-чип (5 мм x 5 мм x 0.4 мм).
35 Для получения надежного отклика толщина гидрогелевой пленки в ненабухшем состоянии должна составлять 50 – 100 мкм (для рис.а) Гидрогелевый слой наносится вращением на кремниевую подложку, на которой нанесен слой оксида кремния толщиной 550 нм и адгезионный слой толщиной 17 нм, высушен и получен сшитый материал. Куски гидрогелевого материала толщиной 250 мкм и размером 1 мм x 1 мм были приклеены к подложке с внутренней стороны (для рис.b). Гидрогелевый слой был осажден с обратной стороны чувствительной мембраны, покрытой 220 нм нитридом кремния методом PECVD (Plasma enhanced chemical vapour deposition) и 17 нм адгезионного слоя (рис. c). Конечная толщина сухого слоя гидрогеля составляет от мм.
36 БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!
Еще похожие презентации в нашем архиве:
© 2024 MyShared Inc.
All rights reserved.