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Il meraviglioso rapporto tra polimeri e solventi: come influenzare la solubilità in diversi intervalli di temperatura?
Nella scienza dei polimeri, la solubilità è la base per molte importanti applicazioni, soprattutto in settori come il tessile, la medicina e la scienza dei materiali. Il comportamento delle soluzioni polimeriche cambia in funzione della temperatura, un fenomeno che diventa ancora più evidente quando si parla della temperatura della soluzione critica inferiore (LCST). LCST è un parametro importante che indica la temperatura alla quale i componenti di una miscela sono completamente miscibili in tutte le proporzioni. Una volta che la temperatura supera questo punto critico, si verificherà un'insolubilità locale.
Il comportamento di fase nelle soluzioni polimeriche è una proprietà importante nello sviluppo e nella progettazione della maggior parte dei processi relativi ai polimeri.
Alcuni polimeri mostrano una miscibilità completa in soluzioni acquose. Per tali polimeri, come la poli(N-isopropilacrilammide), il cambiamento di fase avviene solitamente a 32°C (90°F), ma in pratica la temperatura di cambiamento di fase può deviare. da 5 a 10°C a seconda della concentrazione del polimero, della massa molare della catena e di altri fattori. Ciò dimostra che le caratteristiche strutturali del polimero e dei suoi additivi, come sali o proteine, possono modificare significativamente la temperatura del punto di intorbidimento, o LCST.
I fattori fisici rendono LCST unico, principalmente a causa del fattore di cambiamento di entropia del mix.
Si tratta quindi di un valore anomalo perché normalmente l'entropia guida la miscelazione, poiché il processo di miscelazione aumenta il volume disponibile per ciascun componente.Al di sotto dell'LCST, la miscelazione è spontanea, il che significa che la variazione di energia libera (ΔG) è negativa, mentre al di sopra dell'LCST questo valore diventa positivo.
Teoricamente, il modello LCST può essere descritto da un modello fluido reticolare. Questo modello è un'estensione della teoria delle soluzioni di Flory-Huggins, tenendo conto degli effetti di densità e comprimibilità. L'ultima estensione della teoria di Flory-Huggins consente l'osservazione dei fenomeni LCST semplicemente considerando la correlazione geometrica e le interazioni di correlazione tra soluto e solvente.
Esistono anche molti modi per prevedere l'LCST. Il primo tipo di metodo viene proposto sulla base di dati sperimentali e ha un background teorico fisso, che richiede la regolazione di parametri sconosciuti. L'altro consiste nell'utilizzare equazioni empiriche per correlare l'LCST attraverso le proprietà fisiche e chimiche (come densità e proprietà critiche). Tuttavia, in alcuni casi questo metodo non può ottenere i dati richiesti.
Recentemente, Liu e Zhong hanno proposto un modello lineare basato sull'indice di connessione molecolare. Questo metodo mostra una buona capacità di previsione e si spera che alcuni dati importanti possano essere ottenuti tramite calcoli prima degli esperimenti. Inoltre, l’attuale modello QSPR (Quantified Structure Activity/Property Relationship) può ridurre efficacemente il costo di tentativi ed errori, consentendo ai ricercatori di fare previsioni relativamente affidabili dell’LCST delle soluzioni polimeriche prima della sintesi effettiva, il che ha grandi implicazioni per la progettazione dei materiali. grande significato.
Attualmente, più di 70 polimeri non ionici hanno mostrato un comportamento LCST in soluzioni acquose, il che rappresenta una grande ispirazione per la progettazione di nuovi polimeri.
Con l'avanzare della scienza, la relazione tra polimeri e solventi continuerà a ricevere attenzione. I ricercatori continuano a esplorare nuovi sistemi polimerici e i loro comportamenti in termini di solubilità, e in futuro ulteriori applicazioni potrebbero essere legate a questi risultati di ricerca. Quindi, come possiamo utilizzare questa conoscenza per progettare materiali migliori nella futura ricerca scientifica?
