23.2 Характеристики процесу набрякання

Ступінь набрякання визначається кількістю рідини, що поглинається одиницею маси або об’єму сухого зразка полімеру. Визначають ступінь набрякання ваговим або об’ємним методами. Ваговий метод полягає у зважуванні зразка полімеру до і після набрякання. Розраховують ступінь набрякання за формулою:

100% (23.1)

Об’ємний метод визначення ступеня набрякання ґрунтується на вимірюванні об’єму полімеру до і після набрякання:

100%, (23.2)

де m₀ і V₀ – маса і об’єм зразка полімеру до набрякання; m і V – маса і об’єм полімеру після набрякання.

На рис. 23.1 показані криві, що показують зміну ступеню набрякання полімеру з часом. У випадку обмеженого набрякання ступень набрякання досягає максимального значення, після чого залишається сталим. Під час необмеженого набрякання крива проходить через максимум, після чого ступінь набрякання зменшується практично до нуля внаслідок поступового розчинення зразка полімеру.

С тупінь набрякання ВМС залежить від їх будови і форми макромолекул (найкраще набрякають лінійні ВМС з витягнутими макромолекулами), хімічної природи і фізико-хімічних властивостей розчинника (найкраще полімери набрякають у хімічно спорідненими з ними розчинниках).

Рисунок 23.1 – Кінетичні криві набрякання ВМС: 1,2 – обмежене набрякання; 3 – необмежене набрякання.

Кінетику набрякання описують рівнянням необоротної реакції І порядку:

, (23.3)

де  – швидкість набрякання; _ – ступінь набрякання зразка полімеру у момент часу  ; _ – максимальний ступінь набрякання зразка; k – константа швидкості набрякання – величина, що залежить від природи полімеру та розчинника.

Геометрично швидкість набрякання визначають за величиною тангенсу кута нахилу дотичної до кривої "–t". Швидкість набрякання ВМС суттєво зростає при підвищенні температури, при зменшенні розмірів зразків полімеру, його віку і молярної маси.

23.3 Термодинаміка процесів набрякання вмс

Набрякання полімерів є самочинним екзотермічним процесом. Тепловий ефект, що супроводжує процес набрякання 1 кг сухого полімеру називається теплотою набрякання. Теплоту набрякання визначають дослідним шляхом для кожної пари "полімер-розчинник". Так, під час набрякання желатину у воді виділяється 28 кДж/кг, крохмалю – 32,3 кДж/кг.

Під час набрякання теплота виділяється тільки під час поглинання полімером перших порцій рідини. Це означає, що на першій стадії набрякання має місце міжмолекулярна взаємодія макромолекул полімеру і молекул розчинника, інше кажучи йде процес сольватації полімеру. На другій стадії набрякання має місце звичайна дифузія молекул розчинника в об’єм полімеру, яка тепловими ефектами не супроводжується. Відповідно розрізняють дві форми існування розчинника, наприклад води, у біополімерах – це зв’язана вода і вільна (капілярна) вода.

Процеси набрякання відіграють велику роль у метаболізмі тварин: усі білки в організмі тварин знаходяться у набряклому стані; проростання зерен або їх кулінарна обробка теж починається з процесу набрякання.