Hidrogeles
En esta oportunidad quiero compartir con ustedes algunos conceptos básicos referente a hidrogeles (geles), los cuales fueron expuestos en mi tesis de licenciatura en Química.
Hidrogeles
Los hidrogeles (geles) son redes poliméricas tridimensionales entrecruzadas e hinchadas con un fluido [1]. El término hidrogel se utiliza para denominar a los geles que se caracterizan específicamente por su extraordinaria capacidad para absorber agua, de allí que en la literatura también se les clasifique dentro de los polímeros de redes expandibles. Las características de los monómeros que lo forman y el grado de entrecruzamiento determinan las propiedades de hinchamiento del hidrogel y, por tanto, su campo de aplicación [2].
Figura 1. Representación de (a) polímero lineal y (b) entrecruzado
Clasificación de los Hidrogeles
Los geles se pueden clasificar en dos tipos, en función de la naturaleza de las uniones de la red tridimensional que los constituyen:
Geles físicos Geles químicos • En base a la naturaleza de los grupos laterales pueden clasificarse en neutros o iónicos (aniónicos, catiónicos, anfolíticos). Propiedades de los geles Existe una relación directa entre las propiedades de un gel y su estructura molecular, de forma que ambas características no pueden comportarse de manera independiente, por ejemplo, el método de síntesis influye decisivamente tanto en la estructura molecular de la matriz polimérica como en las propiedades finales que presentará el gel (Figura 2). Por lo tanto, cuando se describen las propiedades debe hacerse referencia a los parámetros estructurales que las condicionan [3]
• De acuerdo a sus características mecánicas y estructurales, se pueden clasificar en redes afines.
• Dependiendo del método de preparación: red homopolimérica, copolimérica, multipolimérica, o red polimérica interpenetrada.
• En Base a la estructura física de la red en hidrogeles amorfos, semicristalinos, estructuras por enlaces de hidrógeno y agregados hidrocoloidales. Los geles también pueden presentar un comportamiento de hinchamiento dependiente del medio externo, se dice entonces que son hidrogeles fisiológicamente sensibles. Algunos de los factores que afectan al hinchamiento de este tipo de hidrogeles incluyen el pH, temperatura, fuerza iónica y radiación electromagnética [2].
Figura 2. Relación que existe entre el proceso de síntesis, la estructura molecular del gel y sus propiedades
Las propiedades más importantes de los geles son: propiedades mecánicas, densidad de entrecruzamiento, grado de hinchamiento, capacidad de adsorción y desorción, tamaño de poro, entre otras.
Propiedades Mecánicas
Las propiedades mecánicas de un gel se representan a través de su resistencia mecánica, la cual indica la capacidad de un material para soportar la acción de una fuerza sin romperse y, generalmente, se caracteriza por el esfuerzo que induce dicha ruptura. Los materiales poliméricos poseen la capacidad de deformarse temporalmente cuando son sometidos a esfuerzos externos de intensidad limitada, que desaparece cuando cesa el esfuerzo aplicado al material. A dicho comportamiento se le denomina elasticidad y está relacionado con la flexibilidad molecular de las macromoléculas. Cuando dichas macromoléculas se encuentran unidas entre sí, formando una malla, pueden resistir esfuerzos mucho mayores, dado que los enlaces intermoleculares evitan el flujo relativo de unas cadenas con respecto a otras. En este caso el material recibe el nombre de elastómero. En los geles esta propiedad se ve afectada principalmente el grado de entrecruzamiento. Si éste es bajo, la malla resulta muy abierta y su flexibilidad se ve apenas limitada, por lo que el material exhibe comportamiento de elastómero. Por el contrario, si el grado de entrecruzamiento es alto, la red resulta tupida. Las cadenas están ancladas por muchos puntos, por lo que el material pierde flexibilidad y resulta más rígido [3] .
Densidad de Entrecruzamiento
La densidad de nudos de un gel es el número de puntos de entrecruzamiento efectivo por unidad de volumen en la materia. Sin embargo, una definición alternativa esta dada por la masa molecular promedio de las cadenas entre los puntos de entrecruzamiento (Mc). La densidad de entrecruzamiento es posiblemente la magnitud que más controla el hinchamiento. Cuanto mayor es la densidad de entrecruzamiento menor es la distancia entre los puntos entrecruzados, provocando dos efectos: por un lado aumenta la resistencia a la elongación y por otro disminuye el tamaño de poro. Lo segundo afecta fundamentalmente a la velocidad con la cual el disolvente penetra en la red. [3]
Grado de Hinchamiento de los hidrogeles
El grado de Hinchamiento de un gel está asociado con la capacidad que tiene una red polimérica tridimensional en ser solvatada por un líquido, lo cual ocasiona el hinchamiento progresivo del gel. Este proceso de hinchamiento tiene un límite ya que el polímero forma una sola red tridimensional unida por enlaces covalentes que no puede destruirse por un proceso sencillo de solvatación.
Figura 3. Representación esquemática del hinchamiento de una red polimérica
Influencia de la salinidad del medio en el grado de hinchamiento de los geles
La presencia de sales en el medio en el que se encuentra un hidrogel influye considerablemente sobre su hinchamiento, dependiendo del tipo de sal. En general se observa que un hidrogel se deshincha cuando:
- Varía la concentración de iones en solución.
-El hidrogel pierde grupos ionizables. - Los grupos iónicos del hidrogel se apantallan.
- Por formación de enlaces iónicos entre el hidrogel y iones polivalentes.
Por otra parte, se observa un hinchamiento en el hidrogel si se impide la formación de enlaces intermoleculares entre los grupos iónicos del hidrogel y los iones del medio. En un estudió realizado por Oliva, Haydee y colaboradores, publicado en la revista Iberoamericana de Polímeros en marzo de 2010, se estudió la síntesis y caracterización de hidrogeles basados en acrilamida y ácido maleico, donde se determino el grado de hinchamiento entre otras propiedades de dichos geles. El grado de hinchamiento para estos geles resultó afectado significativamente por las características de la solución externa, siendo mayor en agua desionizada que en las soluciones salinas, pudiendo concluir que los geles sintetizados eran sensibles a la variación de concentración de iones en solución lo cual afectaba la capacidad de absorción de estos hidrogeles [4] .
Estudió Cinético del Hinchamiento
Para los diferentes sistemas poliméricos existen distintos órdenes de reacción para sus cinéticas de hinchamiento.
. Cinética de 1er Orden. La difusión del solvente al polímero es el factor principal que determina el hinchamiento y se ha demostrado que existe una dependencia lineal entre la ganancia del solvente (Wt) y la raíz cuadrada del tiempo para los primeros estadios, planteando que el sistema presenta un comportamiento Fickiano. A partir de los diagramas lineales de Wt/W∞ contra t1/2 se puede obtener el coeficiente de difusión para los copolímero mediante la expresión de la Ley de Fick, válida para (Wt/W∞) ≤ 0,6 [5] .
La aplicación de la ley de Fick de la difusión, asume que los coeficientes de difusión del solvente que penetra en el material y el grosor de la película permanecen constantes durante todo el proceso de hinchamiento.
.Cinética de 2do Orden. De igual manera para tiempos elevados de hinchamiento 0,4 < (wt/w∞) cuando el grosor del disco no permanece constante, debido a desviaciones del primer orden cinético, Fick propuso otra solución aproximada (Ec. 2), a partir de la cual (o aplicándole logaritmos, más cómoda aritméticamente), es posible hallar el coeficiente de difusión en los estadios superiores.
Para el cálculo del hinchamiento máximo y de la constante de velocidad de dicho proceso, existe una relación entre la ecuación clásica de segundo orden y otra muy importante propuesta por Schott (Ec. 3) [5] :
Reología
La reología es una disciplina científica que se dedica al estudió de la deformación y flujo de la materia [6] . Una parte de su campo de interés corresponde a los fluidos no newtonianos y los polímeros se encuentran dentro de ésta clasificación. Las características reológicas de un material polimérico son uno de los criterios esenciales en el desarrollo de productos en el ámbito industrial. Éstas determinan las propiedades funcionales de los materiales e intervienen durante el control de calidad, los tratamientos (comportamiento mecánico), el diseño de operaciones básicas como bombeo, mezclado y envasado, almacenamiento y estabilidad física, e incluso en el momento del consumo (textura) [7] . La reología tiene como meta importante encontrar ecuaciones constitutivas para modelar el comportamiento de los materiales. Estas ecuaciones son de carácter tensorial y permiten el estudió de propiedades mecánicas, estas mediciones pueden realizarse mediante la utilización de reómetros, los cuales son aparatos que permiten aplicar en un determinado material, distintos tipos de deformaciones controladas y medir los esfuerzos o viceversa. Entre las propiedades reológicas más importantes tenemos:
• Viscosidad aparente (relación entre esfuerzo de corte y velocidad de corte).
• Coeficientes de esfuerzos normales.
• Viscosidad compleja (respuesta ante esfuerzos de corte oscilatorio).
• Módulo de almacenamiento (G’) y módulo de perdida (G’’) (comportamiento viscoelástico lineal).
• Funciones complejas de viscoelásticidad no lineal.
Referencias
[1] Blanca, Rojas y Ramírez, Marvelis . “Hidrogeles de acrilamida/ácido acrilico y de acrilamida/poli(ácido acrilico): estudió de su capacidad de remediación en efluentes industriales”. Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol 30, Issue 1. 2010. Pág. 28-39.
[2] Hidrogeles. Consultado el 07/2010. En http://www.eis.uva.es/~macromol/curso05-06/medicina/hidrogeles.htm
[3] Rojas, Rosant. “Estudió de la influencia de geles de poliacrilamida en la disminución del porcentaje de fenoles en aguas de producción”. Tesis de Pre grado. Mérida, 2009. Pág.21-23
[4] Rojas de Gáscue, Blanca y colaboradores. “Hidrogeles de acrilamida/ácido acrílico y de acrilamida/poli(ácido acrílico): Estudió de su capacidad de remediación en efluentes industriales”. Revista Latinoamericana de metalurgia y materiales. 2010. Vol. 30(1) pág. 28-39
[5] Campos, Yaima; Preparación y caracterización de composites cargados con HAP; Trabajo de Diplomado, Ciudad de la Habana, Junio 2005. Universidad de la Habana. Pág. 12-14
[6] Regalado, Alejandro y Noriega, Octavio. “Comportamiento reológico de un fluido”. Ciencia y Mar. 2008, XII (36). Pág. 35-42.
[7] Kakadjian, Sarkis y otros. “Metodología para evaluar fluidos de perforación viscoelásticos”. PDVSA. Consultada el 08/2010. En: http://www.seflucempo.com/common/pdf/METODOLOGIAVISCO.pdf