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Type: Tese
Title: Estudo termodinâmico de hidrogéis superabsorventes
Authors: Raquel de Resende Janot Pacheco
First Advisor: Roberto Fernando de Souza Freitas
First Referee: Alberto Claudio Habert
Second Referee: Rodrigo Lambert Oréfice
Third Referee: Ricardo Geraldo de Sousa
metadata.dc.contributor.referee4: Maria Elisa Scarpelli Ribeiro e Silva
Abstract: Neste trabalho, foi feito um estudo termodinâmico de hidrogéis superabsorventes envolvendo uma ampla revisão sobre as teorias e modelos termodinâmicos de polímeros superabsorventes, o desenvolvimento de uma equação termodinâmica para esses sistemas e a síntese e caracterização de géis à base de acrilamida (AA) e metacrilato de sódio (NMA) e, como reticulantes, o dimetacrilato de 1,2-etilenoglicol (EGMA) e o N,N’-metileno bisacrilamida (MBA). Persulfato de amônio (APS) e N,N,N’,N’tetrametilenodiamina (TMEDA) foram utilizados para iniciação e catálise da reação de copolimerização. O estudo termodinâmico apontou para a importância da Teoria de Flory-Rehner no entendimento do termo de mistura para hidrogéis, complementada pela Teoria de Peppas, em se tratando de hidrogéis superabsorventes, nos quais o termo iônico tem um papel relevante no equilíbrio de expansão. Apontou, ainda, para a importância dos modelos não elementares da elasticidade da borracha, particularmente a Teoria da Rede Fantasma, para o entendimento da resposta termodinâmica da rede polimérica à expansão causada pela interação polímero-solvente. Foi obtida uma equação para caracterização do comportamento termodinâmico de hidrogéis no equilíbrio, alicerçada na Teorias de Flory-Rehner, Peppas e Rede Fantasma. Hidrogéis consistentes, no limite de transição de fases sol/gel, foram obtidos com concentrações fixas de monômero iônico e de reticulante, em 30% e 1%, respectivamente (m/massa total de monômeros em %), para 6% de monômeros totais, no caso do MBA, e para 14%, no caso do EGMA, demonstrando as diferentes capacidades dos reticulantes utilizados, na formação de rede polimérica. A variação da concentração de monômero iônico levou a hidrogéis com diferenças significativas nos graus de expansão, para ambos os reticulantes, com uma maior expansão para concentrações mais elevadas de NMA. Entretanto, este comportamento apresentou flutuações, com pontos de máximo, flutuações estas mais pronunciadas para concentrações de monômeros totais mais próximas da transição de fases. Nessa condição, próxima à transição de fases, a superposição das curvas de expansão para os dois sistemas evidenciou o efeito significativo do monômero iônico na expansão dos hidrogéis. Com concentração de monômeros totais próximas à transição de fases, os graus de expansão obtidos chegaram a cerca de 400g/g, para o MBA, e 460g/g, para o EGMA, utilizando-se cerca de 35% de monômero iônico. Para géis sintetizados com qualquer dos dois reticulantes, o aumento da concentração de NMA contribuiu para a diminuição das não-homogeneidades espaciais dos géis, conforme observado pela diminuição do comprimento de correlação hidrodinâmico, a partir da técnica de espalhamento de luz.
Abstract: In this work, a thermodynamic study of superabsorbent hydrogels was done, involving a broad review of theories and thermodynamic models concerning superabsorbent polymers, the development of a thermodynamic equation for these systems and the synthesis and characterization of gels based on acrylamide (AA) and sodium methacrylate (NMA) and, as crosslinkers, N,N’methylenebis(acrylamide) (MBA) and ethylene glycol dimethacrylate (EGMA). Ammonium Persulfate (APS) and N,N,N’,N’-Tetramethyl-ethylenediamine (TMEDA) were used for copolymerization reaction initiation and catalysis. The thermodynamic study pointed out to the importance of Flory-Rehner theory in order to understand the mixture term for hydrogels, complemented by Peppas theory, in the case of superabsorbent hydrogels, in which ionic term plays an important role on swelling equilibrium. It indicated also the importance of no elementary models for rubber elasticity, particularly the Phantom Network theory, for understanding the polymeric network thermodynamic response to swelling caused by polymer-solvent interaction. An equation was obtained to characterize hydrogels thermodynamic behavior at equilibrium, based on FloryRehner, Peppas and Phantom Network theories. Consistent hydrogels were obtained at the limit of sol/gel phase transition, with fixed concentrations of ionic monomer and crosslinker, of 30% and 1%, respectively (m/total monomer mass in %), for 6% of total monomer, in the case of MBA and 14%, for EGMA, demonstrating the different capacity of the crosslinkers used, on polymeric network formation. By varying the ionic monomer concentration, hydrogels with significant differences on swelling degree were obtained, for both crosslinkers, with a greater expansion for higher NMA concentration. However, this behavior presented fluctuations, with maximum peaks, fluctuations that were more pronounced for total monomer concentrations near phase transition. At this condition, near phase transition, swelling curves superposition showed the ionic monomer significant effect on hydrogels expansion. For total monomer concentrations near phase transition, hydrogels were obtained showing swelling degrees close to 400 g/g, for MBA, and 460 g/g, for EGMA, using 35% of ionic monomer concentration. By using light scattering technique, for hydrogels synthesized with any of the two crosslinkers, NMA concentration increase contributed to diminish hydrogels spatial inhomogeneities, as observed by the decrease of the hydrodynamic correlation length.
Subject: Engenharia química
Copolímeros
Acrilamida
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/52762
Issue Date: 13-Jun-2014
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