Swelling and Mechanical Properties of Polymer Gels: Salt, Macroion and Network Topology Effects

Abstract: Popular Abstract in Swedish Ordet polymer användes första gången av Berzelius år 1830 och kommer ursprungligen från grekiskans polymeres, vilket betyder av flera delar ("poly"=flera och "meros"=del). En polymer är en lång molekyl gjord av flera upprepande enheter. Polymerer finns i naturen (t. ex. DNA och proteiner) men kan också tillverkas genom syntetiska processer. Om polymeren innehåller laddade enheter kallas den för polyelektrolyt. När polymerer sätts ihop (tvärbinds) skapar de ett nätverk, även kallad gel. En gel gjord av polyelektrolyter innehåller små joner för att neutralisera polymerens laddning. Polyelektrolytgelen sväller i vatten på grund av att dessa joner ger upphov till ett osmotisk tryck i gelen. Detta tryck motverkas av polymerkedjorna i nätverket som inte vill sträckas ut. På grund av sina svällnings egenskaper har polyelektrolytgeler fått användning som superabsorbenter i hygienartiklar, som läkemedelsbärare inom farmaci, och som vattenhållare inom jordbruket. I denna avhandlingen används datorsimuleringar istället för experiment för att studera geler. Med experiment kan man inte kontrollera exakt hur gelen ser ut, men med datorsimuleringar kan nätverket noggrant preciseras. Simuleringar illustrerar sambandet mellan makroskopiska egenskaper, så som svällning och stress, och den mikroskopiska strukturen, som kedjornas sträckning. Första artikeln handlar om polyelektrolytgelkrympning i saltlösning, vilket har betydelse för praktiska applikationer. Det är sällan som geler i praktiken används i rent vatten, i t. ex. hygienartiklar används de för att suga upp urin som är en högkoncentrerad saltlösning. Simuleringsresultaten visade att geler krymper mer desto saltare omgivning. Geler gjorda av stela kedjor krympte mindre än geler gjorda av flexibla kedjor. I den andra artikeln studerades hur mycket gelerna krympte när små joner ersattes av stora högladdade joner (makrojoner). Simuleringarna visade att dessa makrojoner attraheras starkt till nätverket på grund av elekrostatiska krafter och att gelen krymper mer ju högre laddad makrojonen är. Syntetiska polymerer behöver inte alltid vara lika långa och denna spridning av längder kallas för polydispersitet. I den tredje artikeln studerades effekten av polydispersitet på gelsvällning. Geler med polymerer av olika längder simulerades och jämfördes med en gel där alla kedjor var lika långa. Geler krympte när polydispersiteten ökade på grund av att de korta kedjorna sträcktes mer och hindrade svällning. Oladdade polymergeler krympte mindre än polyelektrolytgeler för deras kedjor var inte lika sträckta. I denna artikel studerades även hur gelens volym påverkades av sprickor i nätverket. Gelen sväller mer ju mer man klipper sönder dess nätverk på grund av att den kraft som förhindrar osmotisk svällning minskar. Sedan några år tillbaka har man kunnat tillverka geler med bättre mekaniska egenskaper så som ökad styvhet och längre uthållighet. Dessa geler kallas för interpenetrerandenätverk och innebär att ett polymernätverk traslas in i ett annat. Idag studerar man deras potential som artificiella hornhinnor och artificiellt brosk i kroppen. I den sista artikeln studerades svällningen och de mekaniska egenskaperna hos sex interpenetrerandenätverk, vilka var kombinationer av tre olika basnätverk. Resultaten visade att interpenetrerandenätverk i vatten delar den elastiska kraften sinsemellan. T.ex om ett laddat polymernätverk (som sväller mycket i vatten) och ett oladdat polymernätverk (som sväller lite i vatten) kombineras till ett interpenetrerandenätverk sväller det till en storlek mittemellan de enskilda gelernas svällning. Styvheten i polymernätverk mäts genom tillägg av en dragande kraft i nätverken. Simuleringar visade att ju mer gelerna drogs ut på längden desto mer krympte gelens totala volym och vätska pressades ut. Styvheten ökade mest för ett interpenetrerandenätverk gjort av två polyelektrolytnätverk med olika långa kedjor på grund av att de korta kedjorna sträcktes mer än när de befann sig i ett enkelt polymernätverk.