Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Перевернутый флакон с гелем для волос
Силикагель

Гель представляет собой полутвердый , которые могут иметь свойства , начиная от мягких и слабых тяжело и трудно. [1] [2] Гели определяются как существенно разбавленная сшитая система, которая не течет в стационарном состоянии. [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 адгезивному прилипанию ( липкости ). Таким образом, гели представляют собой дисперсию молекул жидкости в твердой среде. Слово гель было придумано шотландским химиком 19 века Томасом Грэмом , вырезав его из желатина . [5]

Процесс образования геля называется гелеобразованием .

Определение ИЮПАК [ править ]

Гель
Негидкостная коллоидная сеть или полимерная сеть, расширяемая по всему объему 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., в результате чего области локального порядка действуют 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 стеклообразные домены, полученная набухшая сетка также может быть названа термообратимым гелем;
  4. пластинчатые структуры, включая мезофазы {Sing et al. [8] определяет пластинчатый 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, таких как гели V 2 O 5 и глобулярные или фибриллярные белковые гели.
Примечание 3: исправлено из Золотой книги [9], где определение дано через свойство, указанное в примечании 1 (выше), а не на 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, в котором сетчатый компонент представляет собой коллоидную сетку, может называться аквагелем. [7]
Ксерогель
Открытая сеть, образованная удалением всех агентов набухания из геля.
Примечание. Примеры ксерогелей включают силикагель и высушенные компактные макромолекулярные структуры, такие как желатин или каучук.
Внесено в Золотую книгу. [10] Предлагаемое здесь определение рекомендуется как более точное. [11]

Состав [ править ]

Гели состоят из твердой трехмерной сети, которая охватывает объем жидкой среды и удерживает ее за счет эффектов поверхностного натяжения . Эта внутренняя сетчатая структура может быть результатом физических связей (физические гели) или химических связей (химические гели), а также кристаллитов или других соединений, которые остаются неповрежденными внутри расширяющейся жидкости. В качестве наполнителя можно использовать практически любую жидкость, включая воду ( гидрогели ), масло и воздух ( аэрогель ). Как по массе, так и по объему, гели в основном имеют жидкий состав и, таким образом, обладают плотностью, аналогичной плотности составляющих их жидкостей. Пищевое желе - это типичный пример гидрогеля, который по плотности примерно равен воде.

Полиионные полимеры [ править ]

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. См. Полиэлектролит для получения дополнительной информации.

Типы [ править ]

Гидрогели [ править ]

Гидрогель суперабсорбирующего полимера

Гидрогель представляет собой сеть полимерных цепей , которые являются гидрофильными, иногда встречается в виде коллоидного геля , 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 - это природные или синтетические полимерные сетки с высокой абсорбирующей способностью (они могут содержать более 90% воды). Гидрогели также обладают степенью гибкости, очень похожей на естественные ткани, благодаря значительному содержанию воды. Как отзывчивые " 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 путем перехода гель-золя в жидкое состояние. в основном также гидрогели, которые при стимуляции изменяют свой объем и могут служить исполнительными механизмами или сенсорами.Первое появление термина «гидрогель» в литературе было в 1894 году [13].

Органогели [ править ]

Органогель является некристаллическим , без стекловидного термообратимого ( термопластичный ) твердого материала , состоящий из жидкой органической фазы , захваченной в трехмерно сшитой сети. Жидкость может быть, например, органическим растворителем , минеральным маслом или растительным маслом . В растворимости и частицы размерами структурирующих являются важными характеристиками для упругих свойств и стойкости органогеле. Часто эти системы основаны на самосборке молекул структурообразователя. [14][15] (Примером образования нежелательной термообратимой сети является кристаллизация парафина в нефти . [16] )

Органогели имеют потенциал для использования во многих областях, таких как фармацевтика , [17] косметика, художественная консервация [18] и продукты питания. [19]

Ксерогели [ править ]

Ксерогель / г ɪər oʊ ˌ dʒ ɛ л / представляет собой твердое вещество из геля путем сушки с беспрепятственной усадкой. Ксерогели обычно сохраняют высокую пористость (15–50%) и огромную площадь поверхности (150–900 м 2 / г) наряду с очень маленьким размером пор (1–10 нм). Когда удаление растворителя происходит в сверхкритических условиях, сетка не сжимается, и образуется высокопористый материал с низкой плотностью, известный как аэрогель . Термическая обработка ксерогеля при повышенной температуре приводит к вязкому спеканию. (усадка ксерогеля из-за небольшого количества вязкого течения), что приводит к более плотному и прочному твердому веществу, достигнутая плотность и пористость зависят от условий спекания.

Нанокомпозитные гидрогели [ править ]

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 разработаны так, чтобы они обладали превосходными физическими, химическими, электрическими, термическими и биологическими свойствами. [20] [23]

Свойства [ править ]

Многие гели проявляют тиксотропность - они становятся жидкими при взбалтывании, но снова затвердевают в состоянии покоя. В общем, гели представляют собой твердые, желеобразные материалы. Это разновидность неньютоновской жидкости . Заменяя жидкость газом, можно получить аэрогели , материалы с исключительными свойствами, включая очень низкую плотность, высокую удельную поверхность и отличные теплоизоляционные свойства.

Гели животного происхождения [ править ]

Некоторые виды выделяют гели, которые эффективны для борьбы с паразитами. Например, пилот-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, естественным образом присутствующие в организме, включают слизь , стекловидное тело глаза, хрящи , сухожилия и сгустки крови . Их вязкоупругая природа приводит к тому, что компонент мягких тканей тела отличается от твердой ткани скелетной системы на минеральной основе. Исследователи активно разрабатывают синтетические технологии замены тканей, полученные из гидрогелей, как для временных имплантатов (разлагаемых), так и для постоянных (неразлагаемых). В обзорной статье по этой теме обсуждается использование гидрогелей для замены пульпозного ядра , хряща и моделей синтетической ткани .[25]

Приложения [ править ]

Многие вещества могут образовывать гели, когда к их формулам добавляется подходящий загуститель или гелеобразующий агент . Такой подход распространен при производстве широкого спектра продуктов, от пищевых продуктов до красок и клеев.

В волоконной оптике для заполнения пластиковых трубок, содержащих волокна , используется мягкий гель, по вязкости напоминающий гель для волос . Основное назначение геля - предотвратить проникновение воды, если буферная трубка сломана, но гель также защищает волокна от механических повреждений, когда трубка изгибается по углам 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.

См. Также [ править ]

  • 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновая кислота
  • Электрофорез в агарозном геле
  • Реология пищевых продуктов
  • Гель-электрофорез
  • Гель-фильтрационная хроматография
  • Гелевая упаковка
  • Гель-проникающая хроматография
  • Гидроколлоид
  • Двойная иммунодиффузия Оухтерлони
  • Паста (реология)
  • Электрофорез в полиакриламидном геле
  • Радиальная иммунодиффузия
  • Силиконовый гель
  • Двумерный гель-электрофорез
  • Пустота (композиты)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Khademhosseini A, Demirci U (2016). Справочник гелей: основы, свойства и применение . ISBN World Scientific Pub Co Inc. 9789814656108.
  2. ^ Зайферт S, изд. (2015). Супрамолекулярные полимерные сети и гели . Springer. ASIN B00VR5CMW6 . 
  3. ^ Ferry JD (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. DOI : 10.1016 / 0966-7822 (93) 90020-I .
  5. ^ Harper D . «Интернет-словарь этимологии: гель» . Интернет-словарь этимологии . Проверено 9 декабря 2013 .
  6. ^ Джонс Р., Kahovec Дж, Stepto R, Уилкс Е.С., Гесс М, Китаяма Т, Metanomski WV (2008). ИЮПАК. Сборник терминологии и номенклатуры полимеров, Рекомендации ИЮПАК 2008 г. («Фиолетовая книга») (PDF) . RSC Publishing, Кембридж, Великобритания.
  7. ^ a b 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. DOI : 10.1351 / PAC-REC-10-06-03 . S2CID 96812603 .  
  8. ^ Синг К. С., Эверетт DH, Хол Р.А., Мозсои л, Pierotti Р.А., Rouquérol Дж, Siemieniewska Т (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. DOI : 10,1351 / pac198557040603 . S2CID 14894781 . 
  9. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) " гель ". DOI : 10,1351 / goldbook.G02600
  10. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Ксерогель ». DOI : 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) . Pure Appl Chem . 79 (10): 1801. DOI : 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 . DOI : 10.1021 / acs.jchemed.6b00389 . ISSN 0021-9584 . 
  13. ^ Беммелен JM (1907). "Der Hydrogel und das kristallinische Hydrat des Kupferoxydes". Zeitschrift für Chemie und Industrie der Kolloide . 1 (7): 213–214. DOI : 10.1007 / BF01830147 . S2CID 197928622 . 
  14. ^ Terech П. (1997) "organogelators Низкомолекулярные", стр 208-268 в:. Робб ID (ред.) Специализированные поверхностно -активные вещества . Глазго: Blackie Academic and Professional, ISBN 0751403407 . 
  15. ^ Ван Esch Дж, Schoonbeek Ж, Де Лоос М, Вейн Е.М., Келлог Р.М., Феринг BL (1999). «Низкомолекулярные гелеобразователи для органических растворителей». В Унгаро R, Далканале E (ред.). Супрамолекулярная наука: где она и куда идет . Kluwer Academic Publishers. С. 233–259. ISBN 079235656X.
  16. ^ Visintin РФ, Lapasin R, Vignati Е, Д Antona Р, Локхарт ТР (июль 2005 г.). «Реологическое поведение и структурная интерпретация восковидных гелей сырой нефти». Ленгмюра . 21 (14): 6240–9. DOI : 10.1021 / la050705k . PMID 15982026 . 
  17. ^ Kumar R, катаре OP (октябрь 2005). «Лецитиновые органогели как потенциальная фосфолипидная структурированная система для местной доставки лекарств: обзор» . AAPS PharmSciTech . 6 (2): E298-310. DOI : 10,1208 / pt060240 . PMC 2750543 . PMID 16353989 .  
  18. ^ Carretti E, L Dei, Weiss RG (2005). «Мягкая материя и художественная консервация. Обратимые гели и не только». Мягкая материя . 1 (1): 17. Bibcode : 2005SMat .... 1 ... 17C . DOI : 10.1039 / B501033K .
  19. ^ Пернетти M, ван Malssen KF, Flöter E, Bot A (2007). «Структурирование пищевых масел альтернативами кристаллическому жиру». Текущее мнение в науке о коллоидах и интерфейсах . 12 (4–5): 221–231. DOI : 10.1016 / j.cocis.2007.07.002 .
  20. ^ a b Гахарвар АК, Пеппас Н.А., Хадемхоссейни А (март 2014 г.). «Нанокомпозитные гидрогели для биомедицинского применения» . Биотехнология и биоинженерия . 111 (3): 441–53. DOI : 10.1002 / bit.25160 . PMC 3924876 . PMID 24264728 .  
  21. ^ Кэрроу JK, Gaharwar AK (ноябрь 2014). «Биоинспирированные полимерные нанокомпозиты для регенеративной медицины». Макромолекулярная химия и физика . 216 (3): 248–264. DOI : 10.1002 / macp.201400427 .
  22. ^ Kutvonen А, Росси G, Puisto СР, Rostedt НК, Ала-Nissila Т (декабрь 2012). «Влияние размера, нагрузки и формы наночастиц на механические свойства полимерных нанокомпозитов». Журнал химической физики . 137 (21): 214901. arXiv : 1212.4335 . Bibcode : 2012JChPh.137u4901K . DOI : 10.1063 / 1.4767517 . PMID 23231257 . S2CID 26096794 .  
  23. ^ Сарагоса J, Babhadiashar Н, О'Брайен В, Чанг А, Бланко М, Zabalegui А, и др. (2015-08-24). «Экспериментальное исследование механических и термических свойств полиакриламидных нанокомпозитных гидрогелей, армированных наночастицами кремнезема» . PLOS ONE . 10 (8): e0136293. Bibcode : 2015PLoSO..1036293Z . DOI : 10.1371 / journal.pone.0136293 . PMC 4547727 . PMID 26301505 .  
  24. Перейти ↑ Dee EM, McGinley M, Hogan CM (2010). «Длинноперый кит-летчик» . В прачечной P, Кливленд C (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 . Проверено 19 мая 2013 .

Внешние ссылки [ править ]

  • ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Ксерогель ». DOI : 10,1351 / goldbook.X06700