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Hauptvalenznetzwerke

Quellung von Netzwerken

Bringt man ein polymeres Netzwerk in Kontakt mit einem flüssigen Medium, so löst es sich nicht, sondern es quillt auf. Der Grad der Quellung ist abhängig von der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und polymerem Netzwerk. Die Flüssigkeit solvatisiert das Netzwerk. Es entsteht ein Energiegewinn durch die Wechselwirkungen zwischen Lösemittel und Polymer. Die elastischen Kräfte des Netzwerks wirken der Quellung entgegen und es kommt schließlich zu einem Gleichgewicht. Mit zunehmender Quellung strecken sich die Segmente des Netzwerks. Bei starker Streckung wird die Anzahl der Freiheitsgrade der einzelnen Netzwerksegmente aber wieder kleiner und die Entropie des Systems nimmt ab. Es resultiert ein Zustand der moderaten Quellung.

In Gelen, die ionische Gruppen enthalten, muss zusätzlich zu den oben beschriebenen Faktoren der Beitrag der Ionen und ihrer Gegenionen berücksichtigt werden. Dieser Beitrag hat einen großen Einfluss auf die Quelleigenschaften der Gele.

Zum Beispiel stehen in einem Polyacrylsäure-Gel die Acrylsäure-Gruppen dicht nebeneinander. Die gleichen Ladungen der dissoziierten Carboxylat-Gruppen stoßen sich ab, die polymeren Ketten strecken sich, und das Gel quillt in extremer Weise an. Solche Netzwerke können bis zu 1000 g Wasser pro Gramm Polymer aufnehmen. Aus diesem Grund wird vernetzte Polyacrylsäure als Superabsorber verwendet. Aufgrund des Beitrags der ionischen Gruppen quellen die ionischen Hydrogele in deionisiertem Wasser im Allgemeinen bis zu zwei Größenordnungen mehr als nichtionische Hydrogele.

Abb.1
Gleichgewicht zwischen gequollenem und kollabiertem Zustand bei Hydrogel-Netzwerken

Der Quellungsgrad bei Superabsorbern ist stark von der Ionenaktivität im Quellungsmedium abhängig. Eine geringe Salzkonzentration kann das Gel in den kollabierten Zustand zwingen, dabei resultiert ein Verlust der Quellfähigkeit um über 90 %.

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