Гель - Gel

Для использования в других целях см. Гель (значения).
Перевернутый флакон с гель для волос
Силикагель

А гель представляет собой полутвердое вещество, которое может иметь свойства от мягкого и слабого до твердого и жесткого.[1][2] Гели определяются как существенно разбавленные сшитый система, которая не показывает потока в установившемся режиме.[3] Гель феноменологически определяется как мягкий, твердый или твердый материал, состоящий из двух или более компонентов, один из которых является жидкостью, присутствующей в значительном количестве.[4]

По весу гели в основном жидкие, но они ведут себя как твердые тела из-за трехмерной сшитой сетки внутри жидкости. Именно сшивание в жидкости придает гелю его структуру (твердость) и способствует образованию адгезива (закрепка ). Таким образом, гели представляют собой дисперсию молекул жидкости в твердой среде. Слово гель был изобретен шотландским химиком 19 века Томас Грэм к вырезка из желатин.[5]

Процесс образования геля называется гелеобразование.

Определение ИЮПАК

Смотрите также: Международный союз теоретической и прикладной химии
Гель
Негидкостная коллоидная сеть или полимерная сеть, которая расширяется во всем объеме жидкостью.[6][7]
Примечание 1: гель имеет конечный, обычно довольно небольшой, предел текучести.
Примечание 2: гель может содержать:
  1. сеть ковалентного полимера, например, сеть, образованная сшивкой полимерных цепей или нелинейной полимеризацией;
  2. полимерная сеть, образованная посредством физического агрегирования полимерных цепей, вызванного водородными связями, кристаллизацией, образованием спирали, комплексообразованием и т. д., что приводит к областям локального порядка, действующим как точки соединения сети. Образовавшаяся набухшая сетка может быть названа «термообратимым гелем», если области локального порядка термически обратимы;
  3. полимерная сетка, образованная через точки стекловидного соединения, например сетка на основе блок-сополимеров. Если точки соединения представляют собой термически обратимые стекловидные домены, полученная набухшая сетка также может быть названа термообратимым гелем;
  4. ламеллярные структуры, включая мезофазы {Sing et al.[8] определяет ламеллярный кристалл и мезофазу}, например, мыльные гели, фосфолипиды и глины;
  5. неупорядоченные структуры в виде частиц, например хлопьевидный осадок, обычно состоящий из частиц с большой геометрической анизотропией, например, в V2О5 гели и гели глобулярного или фибриллярного белка.
Примечание 3: исправлено из Золотой книги[9] где определение дается через свойство, указанное в примечании 1 (выше), а не через структурные характеристики, описывающие гель.
Гидрогель
Гель, в котором агентом набухания является вода.
Примечание 1: Сетевой компонент гидрогеля обычно представляет собой полимерную сетку.
Примечание 2: гидрогель, компонент сетки которого представляет собой коллоидную сетку, может называться аквагелем.[7]
Ксерогель
Открытая сеть, образованная удалением из геля всех агентов набухания.
Примечание. Примеры ксерогелей включают силикагель и высушенные компактные макромолекулярные структуры, такие как желатин или каучук.
Изменено из Золотой книги.[10] Предлагаемое здесь определение рекомендуется как более точное.[11]

Сочинение

Гели состоят из твердой трехмерной сети, которая охватывает объем жидкой среды и удерживает ее через поверхностное натяжение последствия. Такая внутренняя сетевая структура может быть результатом физические связи (физические гели) или химические связи (химические гели), а также кристаллиты или другие соединения, которые остаются неповрежденными внутри расширяющейся жидкости. В качестве разбавителя можно использовать практически любую жидкость, в том числе воду (гидрогели ), масло и воздух (аэрогель ). Как по массе, так и по объему, гели в основном имеют жидкий состав и, таким образом, имеют плотность, аналогичную плотности составляющих их жидкостей. Пищевой кисель - это типичный пример гидрогеля, который по плотности примерно равен воде.

Полиионные полимеры

Полиионные полимеры - это полимеры с ионной функциональной группой. Ионные заряды предотвращают образование плотно свернутых полимерных цепей. Это позволяет им вносить больший вклад в вязкость в растянутом состоянии, потому что вытянутый полимер занимает больше места. Это также причина затвердевания геля. Видеть полиэлектролит для дополнительной информации.

Типы

Гидрогели

Основная статья: Гидрогель
Смотрите также: Супервпитывающий полимер, Самовосстанавливающиеся гидрогели, и Гидрогелевое сельское хозяйство
Гидрогель суперабсорбирующего полимера

А гидрогель представляет собой сеть полимерных цепей, которые являются гидрофильными, иногда встречаются как коллоидный гель, в котором вода является дисперсионной средой. Трехмерное твердое тело получается в результате того, что гидрофильные полимерные цепи удерживаются вместе поперечными связями.[требуется разъяснение ] Из-за присущих им поперечных связей структурная целостность сети гидрогеля не растворяется из-за высокой концентрации воды.[12] Гидрогели очень абсорбент (они могут содержать более 90% воды) натуральные или синтетические полимерные сетки. Гидрогели также обладают степенью гибкости, очень похожей на естественные ткани, из-за их значительного содержания воды. Как отзывчивый "умные материалы, "гидрогели могут инкапсулировать химические системы, которые при стимуляции внешними факторами, такими как изменение pH, могут вызывать выделение определенных соединений, таких как глюкоза, в окружающую среду, в большинстве случаев посредством гель-золь переход в жидкое состояние. Хемомеханические полимеры в большинстве своем также представляют собой гидрогели, которые при стимуляции изменяют свой объем и могут служить приводы или же датчики. Впервые термин «гидрогель» появился в литературе в 1894 году.[13]

Органогели

Смотрите также: Органогели

An органогель это некристаллический, не стеклянный термообратимый (термопласт ) твердый материал, состоящий из жидкость органический фаза, заключенная в трехмерно сшитую сеть. Жидкость может быть, например, органический растворитель, минеральное масло, или же растительное масло. В растворимость и частица размеры структурообразователя являются важными характеристиками для эластичный свойства и стойкость органогеля. Часто эти системы основаны на самосборка структурирующих молекул.[14][15] (Примером образования нежелательной термообратимой сети является кристаллизация парафина в нефть.[16])

Органогели имеют потенциал для использования в ряде приложений, например, в фармацевтические препараты,[17] косметика, художественная консервация,[18] и еда.[19]

Ксерогели

А ксерогель /ˈzɪəroʊˌdʒɛл/ представляет собой твердое вещество, образованное из геля путем высыхания с беспрепятственной усадкой. Ксерогели обычно сохраняют высокую пористость (15–50%) и огромную площадь поверхности (150–900 м 2).2/ г), наряду с очень маленькими поры размер (1–10 нм). Когда растворитель удаление происходит под сверхкритический В этих условиях сеть не дает усадки, а из высокопористого материала низкой плотности, известного как аэрогель производится. Термическая обработка ксерогеля при повышенной температуре приводит к образованию вязкого спекание (усадка ксерогеля из-за небольшого количества вязкого потока), что приводит к более плотному и прочному твердому телу, плотность и пористость достигаются в зависимости от условий спекания.

Нанокомпозитные гидрогели

Нанокомпозитные гидрогели[20][21] или гибридные гидрогели, представляют собой высокогидратированные полимерные сети, физически или ковалентно сшитые друг с другом и / или с наночастицами или наноструктурами.[22] Нанокомпозитные гидрогели могут имитировать свойства, структуру и микросреду нативных тканей благодаря своей гидратированной и взаимосвязанной пористой структуре. Широкий спектр наночастиц, таких как углеродные, полимерные, керамические и металлические наноматериалы, может быть включен в структуру гидрогеля для получения нанокомпозитов с индивидуализированной функциональностью. Нанокомпозитные гидрогели могут быть сконструированы так, чтобы они обладали превосходными физическими, химическими, электрическими, термическими и биологическими свойствами.[20][23]

Характеристики

Отображение многих гелей тиксотропия - они становятся жидкими при взбалтывании, но снова затвердевают в покое. В общем, гели представляют собой твердые, желеобразные материалы. Это тип неньютоновская жидкость.Путем замены жидкости на газ можно приготовить аэрогели, материалы с исключительными свойствами, включая очень низкую плотность, высокую удельную поверхность и отличные теплоизоляционные свойства.

Гели животного происхождения

Некоторые виды выделяют гели, которые эффективны при борьбе с паразитами. Например, кит с длинными плавниками выделяет ферментный гель, который находится на внешней поверхности этого животного и помогает предотвратить образование колоний другими организмами на поверхности тел этих китов.[24]

Гидрогели естественно существующие в организме включают слизь, то стекловидное тело глаза, хрящ, сухожилия и сгустки крови. Их вязкоупругая природа приводит к тому, что компонент мягких тканей тела отличается от твердых тканей скелетной системы на минеральной основе. Исследователи активно разрабатывают синтетические технологии замены тканей, полученные из гидрогелей, как для временных имплантаты (разлагаемые) и постоянные имплантаты (неразлагаемые). В обзорной статье на эту тему обсуждается использование гидрогелей для пульпозное ядро замена, замена хряща и синтетическая ткань модели.[25]

Приложения

Многие вещества могут образовывать гели при подходящем загуститель или желирующий агент добавляется к их формуле. Такой подход распространен при производстве широкого спектра продуктов, от пищевых продуктов до красок и клеев.

В волоконно-оптических коммуникациях мягкий гель, напоминающий гель для волос по вязкости используется для наполнения пластиковых туб, содержащих волокна. Основное назначение геля - предотвратить проникновение воды, если буферная трубка сломана, но гель также защищает волокна от механических повреждений, когда трубка изгибается вокруг углов во время установки или изгибается. Кроме того, гель действует как технологическая добавка при создании кабеля, удерживая волокна в центре, пока материал трубки экструдируется вокруг него.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хадемхоссейни А, Демирчи У (2016). Справочник по гелям: основы, свойства и применение. World Scientific Pub Co Inc. ISBN  9789814656108.
  2. ^ Зайфферт С, изд. (2015). Супрамолекулярные полимерные сети и гели. Springer. КАК В  B00VR5CMW6.
  3. ^ Ферри Джей Ди (1980). Вязкоупругие свойства полимеров. Нью-Йорк: Вили. ISBN  0471048941.
  4. ^ Almdal, K .; Dyre, J .; Hvidt, S .; Крамер, О. (1993). «К феноменологическому определению термина« гель »'". Полимерные гели и сети. 1 (1): 5–17. Дои:10.1016 / 0966-7822 (93) 90020-I.
  5. ^ Харпер Д. «Интернет-словарь этимологии: гель». Интернет-словарь этимологии. Получено 2013-12-09.
  6. ^ Джонс Р.Г., Каховец Дж., Степто Р., Уилкс Е.С., Хесс М., Китайма Т., Метаномски В.В. (2008). ИЮПАК. Сборник терминологии и номенклатуры полимеров, Рекомендации ИЮПАК 2008 г. («Фиолетовая книга») (PDF). RSC Publishing, Кембридж, Великобритания.
  7. ^ а б Сломковски С., Алеман Дж. В., Гилберт Р.Г., Хесс М., Хори К., Джонс Р.Г. и др. (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации IUPAC 2011)» (PDF). Чистая и прикладная химия. 83 (12): 2229–2259. Дои:10.1351 / PAC-REC-10-06-03. S2CID  96812603.
  8. ^ Sing KS, Everett DH, Haul RA, Moscou L, Pierotti RA, Rouquérol J, Siemieniewska T (1985). «Представление данных о физической адсорбции для систем газ / твердое тело с особым упором на определение площади поверхности и пористости». Pure Appl. Chem. 57: 603. Дои:10.1351 / pac198557040603. S2CID  14894781.
  9. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "гель ". Дои:10.1351 / goldbook.G02600
  10. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "ксерогель ". Дои:10.1351 / goldbook.X06700
  11. ^ Alemán JV, Chadwick AV, He J, Hess M, Horie K, Jones RG и др. (2007). «Определения терминов, относящихся к структуре и переработке золей, гелей, сеток и неорганических-органических гибридных материалов (Рекомендации ИЮПАК 2007 г.)» (PDF). Чистое приложение Chem. 79 (10): 1801. Дои:10.1351 / pac200779101801. S2CID  97620232.
  12. ^ Уоррен Д.С., Сазерленд С.П., Као Дж.Й., Уил Г.Р., Маккей С.М. (2017-04-20). «Приготовление и простой анализ гидрогеля из наночастиц глины». Журнал химического образования. 94 (11): 1772–1779. Bibcode:2017JChEd..94.1772W. Дои:10.1021 / acs.jchemed.6b00389. ISSN  0021-9584.
  13. ^ Беммелен Ж. М. (1907). "Der Hydrogel und das kristallinische Hydrat des Kupferoxydes". Zeitschrift für Chemie und Industrie der Kolloide. 1 (7): 213–214. Дои:10.1007 / BF01830147. S2CID  197928622.
  14. ^ Тереч П. (1997) «Низкомолекулярные органогельаторы», стр. 208–268 в: Robb I.D. (ред.) Специальные поверхностно-активные вещества. Глазго: Блэки академический и профессиональный, ISBN  0751403407.
  15. ^ Ван Эш Дж, Шунбек Ф., Де Лоос М., Вин Э.М., Келлог Р.М., Феринга Б.Л. (1999). «Низкомолекулярные гелеобразователи для органических растворителей». В Унгаро R, Далканале E (ред.). Супрамолекулярная наука: где это и куда идет. Kluwer Academic Publishers. С. 233–259. ISBN  079235656X.
  16. ^ Визинтин Р.Ф., Лапасин Р., Виньяти Е., Д'Антона П., Локхарт Т.П. (июль 2005 г.). «Реологическое поведение и структурная интерпретация восковидных гелей сырой нефти». Langmuir. 21 (14): 6240–9. Дои:10.1021 / la050705k. PMID  15982026.
  17. ^ Кумар Р., Катаре О.П. (октябрь 2005 г.). «Лецитиновые органогели как потенциальная система со структурой фосфолипидов для местной доставки лекарств: обзор». AAPS PharmSciTech. 6 (2): E298-310. Дои:10.1208 / pt060240. ЧВК  2750543. PMID  16353989.
  18. ^ Карретти Э, Дей Л., Вайс Р.Г. (2005). «Мягкая материя и художественная консервация. Обратимые гели и не только». Мягкая материя. 1 (1): 17. Bibcode:2005SMat .... 1 ... 17C. Дои:10.1039 / B501033K.
  19. ^ Пернетти М., ван Мальсен К.Ф., Флётер Э., Бот А (2007). «Структурирование пищевых масел альтернативами кристаллическому жиру». Текущее мнение в науке о коллоидах и интерфейсах. 12 (4–5): 221–231. Дои:10.1016 / j.cocis.2007.07.002.
  20. ^ а б Гахарвар А.К., Пеппас Н.А., Хадемхоссейни А. (март 2014 г.). «Нанокомпозитные гидрогели для биомедицинского применения». Биотехнологии и биоинженерия. 111 (3): 441–53. Дои:10.1002 / бит. 25160. ЧВК  3924876. PMID  24264728.
  21. ^ Кэрроу Дж. К., Гахарвар А. К. (ноябрь 2014 г.). «Биоинспирированные полимерные нанокомпозиты для регенеративной медицины». Макромолекулярная химия и физика. 216 (3): 248–264. Дои:10.1002 / macp.201400427.
  22. ^ Кутвонен А., Росси Г., Пуисто С.Р., Ростедт Н.К., Ала-Ниссила Т. (декабрь 2012 г.). «Влияние размера, нагрузки и формы наночастиц на механические свойства полимерных нанокомпозитов». Журнал химической физики. 137 (21): 214901. arXiv:1212.4335. Bibcode:2012ЖЧФ.137у4901К. Дои:10.1063/1.4767517. PMID  23231257. S2CID  26096794.
  23. ^ Сарагоса Дж., Бабхадиашар Н., О'Брайен В., Чанг А., Бланко М., Забалеги А. и др. (2015-08-24). «Экспериментальное исследование механических и термических свойств поли (акриламидных) нанокомпозитных гидрогелей, армированных наночастицами кремнезема». PLOS ONE. 10 (8): e0136293. Bibcode:2015PLoSO..1036293Z. Дои:10.1371 / journal.pone.0136293. ЧВК  4547727. PMID  26301505.
  24. ^ Ди Э.М., МакГинли М., Хоган К.М. (2010). «Длинноперый кит-летчик». В прачечной P, Кливленд С (ред.). Энциклопедия Земли. Вашингтон, округ Колумбия: Национальный совет по науке и окружающей среде.
  25. ^ «Инъекционные медицинские устройства на основе гидрогеля:« Всегда есть место для Jell-O »1». Orthoworld.com. 15 сентября 2010 г.. Получено 2013-05-19.

внешняя ссылка