Адсорбция полимеров: как это работает и где применяется
Адсорбция — это процесс, при котором молекулы или ионы прилипают к поверхности другого материала. Этот процесс может происходить двумя способами: физической адсорбцией (физисорбцией) и химической адсорбцией (хемосорбцией). В случае полимеров, которые представляют собой большие молекулы, состоящие из повторяющихся звеньев, адсорбция играет ключевую роль в их взаимодействии с различными поверхностями.
Когда полимер находится в растворе, он обычно образует глобулярные структуры. Однако, если полимер адсорбируется на поверхности, с которой он хорошо взаимодействует, его структура меняется, и он становится похожим на «блин». Это происходит из-за того, что молекулы полимера расплющиваются, чтобы максимально увеличить контакт с поверхностью.
Полимерные и неполимерные поверхности
Полимерные поверхности отличаются от неполимерных тем, что их составные части связаны между собой ковалентными связями. Неполимерные поверхности, напротив, могут быть связаны ионными, металлическими или межмолекулярными силами. Например, в двухкомпонентной системе неполимерные поверхности образуются, когда для их создания требуется положительная энергия смешения.
Полимерные поверхности, такие как поливинилхлорид (ПВХ), нейлон, полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП), имеют уникальные свойства, которые делают их полезными в различных областях. Эти поверхности анализируются с помощью таких методов, как сканирующая электронная микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия и инфракрасная спектроскопия.
Изотермы адсорбции
Процесс адсорбции можно описать с помощью изотерм адсорбции. Изотерма адсорбции — это график, который показывает, сколько молекул адсорбируется на поверхности в зависимости от парциального давления адсорбата. По мере увеличения давления количество адсорбированных молекул также увеличивается.
Контактный угол и поверхностное натяжение
Контактный угол — это угол, под которым капля жидкости соприкасается с твердой поверхностью. Этот угол является мерой смачиваемости поверхности. Обычно жидкости плохо смачивают полимерные поверхности, и контактный угол превышает 90 градусов. Это связано с тем, что молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к поверхности полимера.
Поверхностное натяжение полимерных поверхностей нельзя измерить напрямую, как, например, с помощью пластины Вильгельми. Вместо этого используют углы контакта для косвенной оценки. График Фокса и Зисмана, который связывает косинус угла контакта с поверхностным натяжением жидкости, позволяет определить критическое поверхностное натяжение твердого тела.
Адсорбция и соотношение зарядов
Различные полимерные поверхности имеют разные боковые цепи, которые могут заряжаться в результате адсорбции или диссоциации. Например, полистиролсульфонат имеет отрицательно заряженные боковые цепи, которые притягивают положительно заряженные молекулы. Напротив, полимеры с положительно заряженными боковыми цепями, такие как поли(диаллилдиметиламмонийхлорид), притягивают отрицательно заряженные молекулы.
Термодинамика полимерных поверхностей
Термодинамика адсорбции помогает понять движущие силы этого процесса. Угол контакта используется для измерения термодинамических свойств полимерных поверхностей. В состоянии равновесия свободная энергия Гиббса равна нулю, и химические потенциалы на границах раздела компенсируют друг друга.
Сополимеры
Сополимеры — это полимеры, состоящие из двух или более различных мономеров. На неоднородных поверхностях угол контакта капли жидкости зависит от поверхностного натяжения в каждой точке. Если домены на поверхности достаточно малы, наблюдаемое поверхностное натяжение будет средневзвешенным значением поверхностных натяжений каждого компонента.
Покрытие поверхности
Полимерные поверхности обычно химически однородны, что позволяет легко моделировать адсорбцию молекул с помощью изотерм Ленгмюра или Фрумкина. Уравнение Ленгмюра описывает процесс адсорбции, при котором молекула адсорбата связывается с поверхностным сайтом.
Энергия адсорбции
Полимеры, состоящие в основном из углеводородных цепей, имеют низкую поверхностную энергию и плохо адсорбируются. Однако для многих применений, таких как защитные покрытия, важно улучшить адгезию полимеров к поверхностям.
Энергия Гиббса адсорбции может быть определена из константа равновесия адсорбции. Она состоит из энергии физической и химической адсорбции. Химическая адсорбция, которая обычно сильнее физической, используется для создания прочных связей между полимером и поверхностью.
Приложения
Покрытия для имплантатов
Адсорбция белка на поверхности имплантатов может привести к образованию тромбов и другим негативным реакциям. Чтобы минимизировать эти эффекты, имплантаты часто покрывают полимерными покрытиями, такими как полиэтиленгликоль (ПЭГ). ПЭГ предотвращает адсорбцию белка и повышает устойчивость устройства к бактериям.
Антитромбогенные покрытия
Гемосовместимость медицинских устройств зависит от их поверхностных свойств. Полимерные покрытия, такие как гепарин, используются для предотвращения образования тромбов. Гепарин взаимодействует с тромбином, подавляя коагуляцию и адгезию тромбоцитов.
Современные полимерные композиты
Современные полимерные композиты используются для укрепления и восстановления старых конструкций. Они изготавливаются с помощью различных методов, включая препрег, инфузию и намотку. Эти композиты широко применяются в аэрокосмической и оборонной промышленности.
Армированные волокном полимеры
Армированные волокном полимеры (FRP) используются в строительстве благодаря их высокой прочности и устойчивости к воздействию окружающей среды. FRP состоят из углеродных или стеклянных волокон, встроенных в полимерную матрицу.
Политетрафторэтилен
Политетрафторэтилен (ПТФЭ), также известный как тефлон, используется в антипригарных покрытиях, косметике и смазках. Благодаря своим углеродно-фтористым связям, ПТФЭ обладает низким коэффициентом трения и устойчив к высоким температурам.
