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Die wunderbare Beziehung zwischen Polymeren und Lösungsmitteln: Wie beeinflusst man die Löslichkeit in verschiedenen Temperaturbereichen?
In der Polymerwissenschaft ist die Löslichkeit die Grundlage für viele wichtige Anwendungen, insbesondere in Bereichen wie Textilien, Medizin und Materialwissenschaften. Das Verhalten von Polymerlösungen ändert sich als Funktion der Temperatur, ein Phänomen, das noch deutlicher wird, wenn man die untere kritische Lösungstemperatur (LCST) diskutiert. LCST ist ein wichtiger Parameter, der die Temperatur angibt, bei der die Komponenten einer Mischung in allen Anteilen vollständig mischbar sind. Sobald die Temperatur diesen kritischen Punkt überschreitet, kommt es zur lokalen Unlöslichkeit.
Das Phasenverhalten in Polymerlösungen ist eine wichtige Eigenschaft bei der Entwicklung und Gestaltung der meisten polymerbezogenen Prozesse.
Einige Polymere zeigen eine vollständige Mischbarkeit in wässrigen Lösungen. Bei solchen Polymeren, wie z. B. Poly(N-isopropylacrylamid), erfolgt die Phasenänderung normalerweise bei 32 °C (90 °F), in der Praxis kann die Phasenänderungstemperatur jedoch abweichen um 5 bis 10 °C, abhängig von der Polymerkonzentration, der Molmasse der Kette und anderen Faktoren. Dies zeigt, dass die Strukturmerkmale des Polymers und seiner Zusatzstoffe wie Salze oder Proteine die Trübungspunkttemperatur (LCST) erheblich verändern können.
Physikalische Faktoren machen LCST einzigartig, hauptsächlich aufgrund des Entropieänderungsfaktors der Mischung.
Daher ist dies ein anomaler Wert, da normalerweise die Entropie das Mischen vorantreibt, da der Mischprozess das für jede Komponente verfügbare Volumen erhöht.Unterhalb der LCST erfolgt die Vermischung spontan, was bedeutet, dass die Änderung der freien Energie (ΔG) negativ ist, während dieser Wert oberhalb der LCST positiv wird.
Theoretisch kann das LCST-Modell durch ein Gitterflüssigkeitsmodell beschrieben werden. Dieses Modell ist eine Erweiterung der Flory-Huggins-Lösungstheorie und berücksichtigt Dichte- und Kompressibilitätseffekte. Die neueste Erweiterung der Flory-Huggins-Theorie ermöglicht die Beobachtung von LCST-Phänomenen einfach durch die Berücksichtigung der geometrischen Korrelation und Korrelationswechselwirkungen zwischen gelöstem Stoff und Lösungsmittel.
Es gibt auch viele Möglichkeiten, LCST vorherzusagen. Der erste Methodentyp basiert auf experimentellen Daten und hat einen festen theoretischen Hintergrund, der die Anpassung unbekannter Parameter erfordert. Die andere besteht darin, empirische Gleichungen zu verwenden, um LCST anhand physikalischer und chemischer Eigenschaften (z. B. Dichte, kritische Eigenschaften) in Beziehung zu setzen. In einigen Fällen kann diese Methode jedoch nicht die erforderlichen Daten erhalten.
Liu und Zhong haben kürzlich ein lineares Modell vorgeschlagen, das auf dem molekularen Verbindungsindex basiert. Diese Methode zeigt eine gute Vorhersagefähigkeit, und es besteht die Hoffnung, dass einige wichtige Daten durch Berechnungen vor Experimenten gewonnen werden können. Darüber hinaus kann das bestehende QSPR-Modell (Quantified Structure Activity/Property Relationship) die Kosten für Versuch und Irrtum effektiv reduzieren und es Forschern ermöglichen, vor der eigentlichen Synthese relativ zuverlässige Vorhersagen über die LCST von Polymerlösungen zu treffen, was große Auswirkungen auf das Materialdesign hat. große Bedeutung.
Derzeit zeigen mehr als 70 nichtionische Polymere LCST-Verhalten in wässrigen Lösungen, was eine große Inspiration für die Entwicklung neuer Polymere darstellt.
Da die Wissenschaft Fortschritte macht, wird die Beziehung zwischen Polymeren und Lösungsmitteln weiterhin Aufmerksamkeit erhalten. Forscher erforschen weiterhin neue Polymersysteme und deren Löslichkeitsverhalten, und in Zukunft könnten weitere Anwendungen mit diesen Forschungsergebnissen verknüpft sein. Wie können wir dieses Wissen nutzen, um in der zukünftigen wissenschaftlichen Forschung bessere Materialien zu entwickeln?
