1.Набухання високомолекулярних сполук. Драглі. Розчинність полімерів. Проаналізувати ці явища у харчових виробництвах.

Набуханием называется процесс взаимодействия высокомолекулярного соединения с низкомолекулярным растворителем в результате которого происходит увеличение массы и объема высокомолекулярного соединения.

Причиной набухания является то, что при растворении проис­ходит не только диффузия молекул растворяемого вещества в рас­творитель, но, главным образом, диффузия молекул раствори­теля в высокомолекулярное вещество

Набухание бывает ограниченное и неограниченное.

- Неограниченное набухание заканчивается растворением высокомолекулярного соединения.

- Ограниченное набухание после достижения предельной степени набухания пре­кращается. Одна из причин – высокомолекулярное вещество и растворитель способны смешиваться ограниченно. Поэтому в результате набухания в си­стеме образуются две фазы — насыщенный раствор полимера в растворителе (собственно раствор) и насыщенный раствор рас­творителя в полимере (гель, студень).

Второй причиной ограниченного набухания является наличие поперечных химических связей между цепями полимеров (так назы­ваемые мостики), и все вещество по существу представляет собой пространственную сетку. Это препятствует отрыву макромолекул друг от друга и переходу их в раствор.

Процесс неограниченного набухания условно можно разделить на несколько стадий. На первой стадии набухания происходит сольватация макромо­лекул в результате диффузии растворителя в высокомолекулярное вещество. Эта стадия характеризуется выделением тепла. Основное значение этой стадии при растворении сводится к разрушению связей между отдель­ными макромолекулами, вследствие чего цепи становятся свобод­ными и способны совершать тепловое движение в целом.

Второй стадией является набухание или растворение, обуслов­ленное чисто энтропийными причинами. В этой стадии, поскольку сольватация уже завершилась, тепловой эффект равен нулю. Вторую стадию растворения можно рассматривать как чисто осмотический процесс.

Набухание полимера в жидкости характеризуется степенью на­бухания α, вычисляемой по уравнению:

α=(m - m₀)/m₀

где m₀ и m — навеска полимера до и после набухания. Степень набухания численно равна массе (в г) жидко­сти, поглощенной 1 г высокомолекулярного вещества. Определяя степень набухания через заданные промежутки, можно получить кривые, характеризующие кинетику набухания. Часто о набухании судят не по привесу, а по увеличению объема образца.

Уравнение скорости набухания:

где α_max- степень набухания; α_τ - степень набухания к моменту времени τ; k – константа скорости набухания, зависящая от природы полимера, природы растворителя и температуры.

Так как при набухании объем полимера всегда увеличивается, объем всей системы (полимер + рас­творитель) обычно уменьшается. Это особенно заметно при набухании по­лярных полимеров в полярных растворителях. Уменьшение объема системы при набухании, называемое контракцией, рассчитываемую по следующему эмпирическому урав­нению с двумя константами:

где V — контракция;

m —масса жидкости, поглощенной при набухании 1 г поли­мера (степень оводнения);

α и β — константы.

Контракция системы при набухании полимера объясняется ориентацией молекул растворителя в результате их «адсорбции» макромолекулами, что способствует увеличению плотности системы.

На набухании и растворении полимеров сказывается их физи­ческое состояние. Легче всего набухают и растворяются полимеры в вязкотекучем и высокоэластическом состоянии, моле­кулы которых связаны друг с другом наименее прочно. Значительно труднее растворяются полимеры, находящиеся в застеклованном состоянии. В этом случае сначала при контакте полимера с раство­рителем молекулы растворителя проникают в поверхностный слой полимера, что вызывает поверхностное набухание его. Далее на­бухший полимер растворяется таким же образом, как и высоко­эластичный полимер. Граница раздела между твердым полиме­ром, в который еще не проник, растворитель, и набухшим его слоем постепенно продвигается внутрь вещества со скоростью диффузии растворителя в стеклообразный полимер.

Наиболее трудно растворимы кристаллические полимеры. С растворителем в первую очередь будут взаимодействовать неупо­рядоченные области таких полимеров. В кристаллические области растворитель сможет проникать, если он экзотермически взаимо­действует с полимером, так как разрушение кристаллических об­ластей всегда сопровождается значительным поглощением тепла. В противном случае для растворения кристаллической части си­стему необходимо нагревать.