Наряду с возможностью производства товаров массового потребления на основе суперабсорбирующих полимеров, универсальные гидрогели также открывают новые перспективы для разработки «умных» применений. Этому способствует широкий диапазон химических структур, позволяющий по желанию разработчика контролировать скорость поглощения и ее интенсивность, что возможно в самых различных областях, таких как:
- гидроразбухающая герметизация для строительства и аналогичных применений;
- самогерметизация;
- устройства доставки лекарственных препаратов и других химических веществ;
- умные полимеры, реагирующие на различные стимулы;
- мягкие контактные линзы;
- гидрофильные покрытия. Гидроразбухающая герметизация для гражданского строительства, строительства и аналогичных применений.
На протяжении почти что тридцати лет набухающие в воде каучуки использовались для прекращения доступа воды в гражданском строительстве и алогичных областях. За счет их способности к самогерметизации они используются в тех случаях, когда вода или водные растворы создают какие-либо проблемы, например, для защиты от затопления, проникновения жидкости или герметизации от протечек. После контакта с водой профиль или герметизирующее средство набухают, сильно увеличиваясь в объеме и увеличивая путь для поступления воды, это действует как барьер для всякого возможного дальнейшего проникновения воды. Здесь могут быть, например, следующие применения:
- соединительные герметизирующие профили для строительных соединений, герметизация от проникновения в пространство между стеной и стеной, стеной и полом, полом и полом, которое соединяет новое строительство с уже имеющимся, герметизация предварительно отлитых бетонных дренажных труб и сборных бетонных колец колодцев, герметизация от проникновения входов труб, узлов коммунального обслуживания и т.д. Ограничениями для применения могут быть: непригодность для использования в подвижных соединениях, при высоком давлении воды, при слишком быстром притоке воды из-за того, что профилю требуется определенное время для набухания. На приведенном ниже рисунке показан принцип работы герметизации от проникновения воды. 
Рисунок 1: 'Принцип герметизации от проникновения воды'.
- Самогерметизирующиеся многослойные пленки и листы: слой гидроразбухающего материала между двумя слоями обычного водонепроницаемого листа может набухнуть и заклеить поврежденные участки композита. На приведенном ниже рисунке показан принцип самогерметизации.
Рисунок 2: 'Принцип самогерметизации'.
Существует два основных способа изготовления гидроразбухающей герметизации:
- смешивание эластомера и гидрогеля, например, полиакриловой кислоты и ее солей;
- полимеризация солей акриловой кислоты в эластомерной матрице. Считается, что этот метод позволяет получить лучшие механические свойства. Гидрогели в большинстве случаев представляют собой полиакриловую кислоту и ее соли, но также используются и полиакриламид, гидроксиэтилметакрилат, карбоксиметилцеллюлоза, сополимер поливинилового спирта и полиакриловой кислоты. Эластомером может быть натуральный каучук (NR), силикон, бутиловый каучук (IIR), хлорированный полиэтилен (CPE), хлорбутилкаучук (CIIR), EPDM, этил-винилацетатный сополимер (EVM) и прочие традиционные эластомеры и термопластические эластомеры. Так, например, компания Arkema предлагает две марки PEBAX, способные поглощать до 120% воды, компания Vita Thermoplastic Compounds (VTC) разработала компаунд, названный Vitaprene 50060, который при погружении в воду разбухает в несколько раз относительно своего первоначального объема. Исследователи из Фраунхоферского института разработали ТРЕ, наполненный полиакрилатом, который зарегистрирован как Q-TE-C®. Здесь при контакте с водой происходит разбухание, в несколько раз превышающее объем в сухом состоянии. Поскольку существует такое множество возможностей, набухание и механические свойства бывают необычайно разнообразны, но существуют некоторые общие правила, которые мы, не претендуя на то, чтобы считать их универсальными или исчерпывающими, приводим ниже:
- способность набухать повышается с повышением концентрации данного гидрогеля;
- поглощение солевых растворов значительно меньше поглощения воды;
- имеется гистерезис поведения при набухании, который никогда не восполняется до конца после предшествующих набуханий или высушиваний;
- способность набухать уменьшается по мере того, как степень сшивания увеличивается, но, обычно, точно также улучшаются и механические свойства;
- механические свойства зависят от совместимости эластомера и используемого гидрогеля. Гидрогель может действовать как инертный наполнитель, ухудшающий механические эксплуатационные характеристики, или же, как армирующий наполнитель, который улучшает механические свойства;
- набухание оказывает решающее воздействие на механические свойства.
Таблица 1. Примеры свойств набухания и механической прочности на разрыв для различных гидроразбухающих ТРЕ при различных условиях.
Свойство | Силикон | Натуральный каучук | EVM | CPE | | Гидрогель, % | 10-50 | 20-50 | 10-50 | 20-50 | | Набухание в воде, % | До 1200 | 60-80 | 60-250 | 50-200 | | Набухание в соленой или кислой воде, % | До 350 | | 20-100 | 40-90 | | Прочность на разрыв, сухой, МПа | 1-4 | 10-18 | 12-28 | | | Прочность на разрыв, набухший, МПа | 0.2-0.4 | 5-10 | | | | Прочность на разрыв, вновь высушенный, МПа | | 7-13 | | | | Относительное удлинение при разрыве, сухой, % | 340 | | | | | Относительное удлинение при разрыве, набухший, % | 120 | | | |
Отсутствие точного определения понятия гидрогеля и общей рецептуры не позволяет осуществить прямое сопоставление между основными эластомерами Применения, для которых нужны специально отрегулированные параметры поглощения: задумаемся о сшитых полиакриламидах
Исследуется набухание и механические свойства гидрогелей из N-изопропилакриламида (NIPA), сшитого в наполовину переплетающихся сетях с метиленбисакриламидом в присутствии линейного полиакриламида. На приведенном ниже рисунке 'Свойства в зависимости от сшивания' показаны относительное удлинение при разрыве (EB), прочность на разрыв (TS) и набухание для пяти состояний сшивания, которые обозначены как наивысшее X, высокое X, среднее X, низкое X и самое низкое X. Очевидно, что:
- относительное удлинение при разрыве быстро уменьшается при увеличении степени сшивания. Исходное относительное удлинение при разрыве округленно поделено по десять;
- прочность на разрыв постепенно возрастает до 50%;
- набухание существенно уменьшается.
Рисунок 3: Свойства в зависимости от сшивания.
Модуль (который не представлен на предыдущем графике) составляет для самой высокой степени сшивания значение, которое в четыре раза превышает значение модуля для образца с самой низкой степенью сшивания. По сравнению с рассмотренными ранее суперабсорбирующими материалами, степень набухания в 50 – 100 раз ниже.
|
