An Improved Apparatus For the Determination of Swelling Degrees

Liu Shouxin, Fang Yu,  Hu Daodao
(Chemistry Department of Shaanxi Normal University Xi’an 710062)

Abstract An improved apparatus for the determination of swelling degrees of hydrogls is introduced in this paper. The swelling dynamics of the hydrogels of chitosan(CS), the semi-IPN hydrogels of poly(methacrylic acid) embeded by chitosan(CS-PMAA1), the full-IPN hydrogels of poly(methacrylic acid) and chitosan(CS-PMAA2), and the hydrogels of poly(N-isopropylacrylamide) embeded by chitosan(CS-PNIPAM) were determined using this apparatus. On the basis of the experimental results, the individual swelling rate constant of each tested hydrogels was calculated. It was shown that the improved apparatus is easy to use. The accuracy of the measurement is high, and the result can be well repeated.
Key words Swelling degree, Determination, Apparatus
摘要 介绍了一种改进型溶胀度测定仪。用该仪器方便地测定了壳聚糖凝胶(CS)，壳聚糖包埋聚甲基丙烯酸凝胶(CS-PMAA1)，壳聚糖-聚甲基丙烯酸互贯网络凝胶(CS-PMAA2)以及壳聚糖包埋聚N-异丙基丙烯酰胺凝胶(CS-PNIPAM)的溶胀动力学，并计算了各凝胶溶胀速率常数k。实验表明该仪器具有操作简单、测试精度高、重现性好等特点。
关键词 溶胀度 测定 装置

一种改进的溶胀度测定仪

刘守信 房喻** 胡道道
(陕西师范大学化学系 西安 710062)

        溶胀性能是高分子凝胶和高分子膜的一种基本性能。测定这些材料在有关溶剂中的溶胀度有称重法和体积测量法，前者费时且不准确，后者有赖于凝胶在溶胀前后保持较规整的形状，很难用于膜溶胀度的测定，本文介绍一种改进型溶胀度测定仪。
1 测定原理
    凝胶、膜等高分子材料的溶胀度可表示为

   (1)

式中m是样品溶胀后的质量，m0是未溶胀样品的质量。如果凝胶(或膜等)吸收液体的质量为q，则

   (2)
   (3)

v是被吸收液体的体积，r是液体密度

   (4)

其中                                   (5)
K为仪器常数,通过标定得到，为某时刻溶胀所造成的液面降低高度。
    凝胶(或膜)的溶胀是一个随时间变化的过程。溶胀度随时间的变化具有类似酶促反应的特征，因此可将溶胀度(a)与时间(t)通过下式关联起来。

   (6)

将6式整理变为倒数形式：

   (7)

以1/a对1/t作图得一直线，截距为样品的最大溶胀度(amax)的倒数，斜率为溶胀速率常数(k)与最大溶胀度(amax)之比。
2 实验装置
改进型溶胀度测定仪如图1所示。
3 操作步骤及数据处理
3.1 将一定量的待测样品置于多孔吊篮4中。

   
图1 仪器装置示意图
1 空心磨口塞 2 塞孔和磨口孔 3 空心挂钩 4 玻璃多孔吊篮 5 贮水槽 6,7,8,9 二通活塞
10 三通活塞 11 内径 0.5~0.7cm 的刻度管 11' 内径 0.1~0.3cm 的刻度管 12 打气球

        如果样品是溶胀度较大的凝胶材料，须将活塞6打开，活塞7关闭；如果样品是溶胀度较小的膜材料则须将活塞6关闭，7打开。打开活塞10使之与大气相通，然后由贮液槽5向体系中加入水(或其它液体)使液面略低于刻度管上面的刻度，然后关闭活塞8。盖上塞子1，使塞子孔和磨口孔重合，并记下刻度管起始液面位置h0，旋转活塞10，使仪器与大气隔绝而与气球连通。用打气球12打气将管6或管7中的液体压入上部球中，并将样品完全浸泡，注意液体液面不可高于空心挂钩孔，以免形成液封。然后旋转活塞10，使仪器与大气完全隔绝，并开始记时。溶胀一段时间后旋转活塞10使仪器重新与大气接通，样品保持在球中的吊篮中，液面回落，并与样品分离，待两管液面重新持平后，记下液面位置h。重复上述溶胀操作，直到刻度管液面不再改变为止。实验中液体不够时，可通过贮液槽5补充之。测定完毕可通过活塞9将液体放掉。
3.2 数据处理
    数据处理前应首先标定仪器常数K。当刻度管液面处于某较低位置时，通过口1定量加入一定体积v的液体,测定液面上升的高度c0008806.gif (896 bytes)然后确定仪器常数。计算溶胀度a并作a~t图，求出最大溶胀度amax，以1/a对1/t作图求直线斜率，溶胀常数k = 斜率.amax。
4 仪器特点
    与文献[1]介绍的多加德金溶胀测定仪相比较，本仪器具有以下特点：
    (1) 该溶胀仪对凝胶，膜材料等均可测试，测试范围广，测试精度高。
    (2) 根据需要可随时补加溶剂，操作方便。
    (3) 仪器结构简单，造价低廉，便于推广。
5 应用举例
    用图示装置分别测定了壳聚糖(CS), 壳聚糖包埋聚甲基丙烯酸凝胶(CS-PMAA1)，壳聚糖-聚甲基丙烯酸互贯网络凝胶(CS-PMAA2)以及壳聚糖包埋聚(N-异丙基丙烯酰胺)凝胶(CS-PNIPAM)的溶胀动力学，并计算了各凝胶溶胀速率常数k。各凝胶溶胀动力学过程示于图2，溶胀速率常数求算参见图3。

  图2 壳聚糖类凝胶溶胀动力学       图3 溶胀度倒数对时间倒数

        由图2可以看出，壳聚糖单独成胶时，最大溶胀度显著大于包埋有其它高分子的壳聚糖凝胶，同样也显著大于其与甲基丙烯酸形成的互贯网络凝胶。对CS-PMAA1和CS-PMAA2而言，尽管它们的组成一样，但由于在后一种凝胶中PMAA也以交联形式存在，而且与CS网络互贯，因此最大溶胀度自然小于前者。
    就溶胀速率而言，情况比较复杂。根据方程(7)由图3可以求得各凝胶的溶胀速率常数，对CS，CS-PMAA1，CS-PMAA2和CS-PNIPAM，溶胀速率常数分别为13.1,20.1,9.1,5.0.
6 参考文献
[1] 赵振国译,徐克敏校.胶体化学实验,北京:高等教育出版社,1992,218-221.

房喻 男，43岁，博士，教授，从事高分子光物理研究。 **联系人