Показано, что в настоящее время недостаточно изучена взаимосвязь «состав — структура — механические свойства» акриловых гидрогелей и композитов на их основе. Отсутствие этих результатов препятствует расширению возможностей их применения. В связи с этим актуален вопрос разработки методики измерения механических характеристик акриловых пленок, применяемых в раневых повязках.
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ2.
1. Метод испытания на растяжение.
Для испытания применяют образцы в форме прямоугольника шириной от 10 до 25 мм, длиной не менее 150 мм. Предельные отклонения по ширине образца должны быть ±0,2 мм. Ширина образца должна быть указана в нормативно-технической документации на материал. За толщину образца принимают толщину испытуемого материала. Для испытания изотропных материалов используют не менее пяти образцов. Используют разрывные универсальные испытательные машины с электромеханическим приводом (рисунок 8).Рисунок 8 — Разрывная универсальная испытательная машина.
Толщину и ширину образцов измеряют в трех местах. Из полученных значений вычисляют средние арифметические, по которым вычисляют начальное поперечное сечение Ао. Если в нормативно-технической документации на материал нет указаний, то испытания проводят при температуре (23±2) °С и относительной влажности (50±5)%.В общем виде формула для определения предела прочности при растяжении материала выглядит так: Rр=Fmax/ Ао ,(1)гдеFmaxразрушающая нагрузка.
Аопервоначальная площадь поперечного сечения образца. Однако для пластичных материалов происходит сильное удлинение образца без его разрушения. В этом случае при испытании постоянно измеряют нагрузку и удлинение образца. При записи «нагрузка-удлинение» определяют показатели испытания на растяжение в соответствии с рисунком 9. Рисунок 9 — 1 — материал имеет предел текучести; 2 — материал не имеет предела текучести; а — участки прямолинейного направления кривой в начале кривой «нагрузка-удлинение»; S
— предел текучести; x
— отрезок на оси удлинения для определения условного предела текучести; Sx
— условный предел текучести. Затем определяют механические свойства по формулам:
2.2. Метод определения твердости.
Твердость материалов определяют, вдавливая в них шарик или наконечник в виде конуса (рисунок 10).Рисунок 10 — Определение твердости материала на анализаторе текстуры СТ3 BrookfielfdВ результате испытания определяют число твердости:
НВ=F/А, (2)где Fсила;
А-площадь поверхности отпечатка.
2.3. Методы определения модуля упругости при растяжении и сжатии Готовятся образцы в виде дисков массой 3 г, диаметром 2,4 см, высотой 0,7 см, и площадью поверхности 14 см². Механические характеристики гидрогелевых дисков определяются на анализаторе текстуры СТ3 Brookfielfd. Для этого используются пять образцов одного состава. Испытания проводятся путем однократного сжимающего усилия на диск-образец. Сжатие делается металлическим цилиндром с диаметром рабочей поверхности, равным 3,5 см (рисунок 11).
Скорость нагружения составляет 1 мм/мин. Сила сжатия 1 кг. Выдержка при сжатии составляет 10 сек. Эксперименты проводятся при температуре 24ºС.Рисунок 11 — Испытание на сжатие на анализаторе текстуры СТ3 BrookfielfdВнешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину Δl в направлении действия силы (при сжатии — укорочение, при растяжении — удлинение).Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации Δlк первоначальному линейному размеру lтела:ε=Δl / l (3)Деформация происходит вследствие удаления или сближения атомов, при этом смещения атомов пропорциональны деформации тела. Принцип действия прибора заключается в деформировании образца, возникающем при перемещении подвижной траверсы. При этом датчикперемещения определяет скорость движения траверсы и величину ее перемещения — меруизменения линейных размеров испытываемого образца, а сила, возникающая придеформировании образца, преобразуется в электрический сигнал, который черезсоединительный кабель передается в электронный блок пульта оператора.
В качествепреобразователя силы используется тензорезисторный датчик силы, который вместе сэлектронным блоком представляет собой силоизмеритель. Сигналы датчика силы и датчика перемещения обрабатываются электроннымблоком, и измеренные значения силы и перемещения траверсы отображаются на лентесамописца, смонтированного вместе с электронным блоком в отдельнойприборной стойке — пульте оператора, с которого осуществляется управление машиной, сбор, обработка и запись информации датчиков силы и перемещения. Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию и одноосное напряжение линейным соотношением, выражающим закон Гука:ε=Ϭ / Е (4)При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле:Ϭ = Р / А, (5)где.
Р — действующая сила, А — площадь, по которой распределена сила или площадь первоначального поперечного сечения. Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей характерихуются большим модулем упругости. Например, для железа Е=211×103МПа, для полистирола Е=3×103МПа.При проведении сдавливающих деформаций строятдиаграммы, откладывая по оси ординат значения Ϭ, а по оси абсцисс — значения ε. По полученным экспериментальным зависимостям устанавливают влияние расхода различных компонентов на деформируемость гидрогелей. 2.
5. Методы испытаний на стойкость к воздействию температуры.
Температура окружающего воздуха оказывает влияние на механические свойства гидрогелей. В связи с этим необходимо проводить испытания механических характеристик не только при температуре 24ºС, но и при других рабочих температурах гидрогелей. Как правило, при снижении температуры происходит охрупчивание гидрогелей, а при повышении температуры происходит их размягчение. Для оценки влияния температуры на механические свойства гидрогелей можно предложить определение коэффициента размягчения от температуры, которые равен отношению предела прочности при сжатии (или растяжении) при рабочей температуре к пределу прочности при сжатии (или растяжении).
при температуре 24ºС:Кразм-t = Rсж-t / Rсж-24 (6)гдеRсж-t- предел прочности при сжатии при повышенной или пониженной температуре;Rсж-24- предел прочности при сжатии при температуре +24ºС.Кразм-t = Rраст-t / Rраст-24 (7)гдеRсж-t- предел прочности при растяжении при повышенной или пониженной температуре;Rсж-24- предел прочности при растяжении при температуре +24ºС.
2.6. Выводы по главе 21. На основе анализа классификациимеханических свойств материалови опубликованных результатов испытаний, разработаны методики определения следующих механических характеристик для акриловых гидрогелей, применяемых в раневых повязках. Это испытания по определению предела прочности на растяжение, твердость, модуль упругости (модуль Юнга) при растяжении и сжатии, стойкость к воздействию температуры. 2. При разработке методик испытаний установлены виды и размеры образцов, рекомендовано испытательное оборудование.
3. Температура окружающего воздуха оказывает влияние на механические свойства гидрогелей. В связи с этим необходимо проводить испытания механических характеристик не только при температуре 24ºС, но и при других рабочих температурах гидрогелей. Для оценки влияния температуры на механические свойства гидрогелей предложено определятькоэффициент размягчения гидрогеля от температуры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.В настоящее время все шире исследуются гидрогели, в связи с увеличением областей их использования. Благодаря уникальным свойствам акриловые гидрогели нашли широкое применение в медицине, промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, экологии.
2.На основании анализа опубликованных результатов рассмотрены основные направления применения акриловых гидрогелей. Охарактеризованы основные требования к акриловым гидрогелям. К недостаткам акриловых гидрогелей можно отнести неустойчивость при повышенных температурах (акриловые гидрогели устойчивы до 35 °С); высокую чувствительность к изменению ионного состава и рН растворов; небольшую механическую прочность материалов. В связи с этим исследователи занимаются разработкой новых составов акриловых гидрогелей и стоит задача оценки их механических свойств.
3.Разработана классификация механических свойств гидрогелей. Определены необходимые механические характеристики для акриловых гидрогелей, применяемых в раневых повязках. Установлены необходимые приборы для определения механических характеристик гидрогелей.
4.Показано, что в настоящее время недостаточно изучена взаимосвязь «состав — структура — механические свойства» акриловых гидрогелей и композитов на их основе. Отсутствие этих результатов препятствует расширению возможностей их применения. В связи с этим актуален вопрос разработки методики измерения механических характеристик акриловых пленок, применяемых в раневых повязках.
5. На основе анализа классификациимеханических свойств материалови опубликованных результатов испытаний, разработаны методики определения следующих механических характеристик для акриловых гидрогелей, применяемых в раневых повязках. Это испытания по определению предела прочности на растяжение, твердость, модуль упругости (модуль Юнга) при растяжении и сжатии, стойкость к воздействию температуры. При разработке методик испытаний установлены виды и размеры образцов, рекомендовано испытательное оборудование.
6. Температура окружающего воздуха оказывает влияние на механические свойства гидрогелей. В связи с этим необходимо проводить испытания механических характеристик не только при температуре 24ºС, но и при других рабочих температурах гидрогелей. Для оценки влияния температуры на механические свойства гидрогелей предложено определятькоэффициент размягчения гидрогеля от температуры.
ЛИТЕРАТУРА
Хотимченко Ю.С. Физико-механические свойства полисахаридов бурых водорослей / Биология моря. 2001. Т.27, № 3, с.151−16 206.
07−19С.113 Набухание и характеристики диффузии в гидрогелях сополимера акриламид/акриловая кислота // РЖ 19С. Химия высокомолекулярных соединений. 2006. № 7.Акриловые гидрогели в качестве полимерных связующих / Успенская М. В. // автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербургский государственный технологический институт. Санкт-Петербург, 2009.
Реологические свойства сополимерных гидрогелей на основе акриламида и акриловой кислоты / Самченко Ю. М., Ульберг З. Р., Комарский С. А., Ковзун И. Г., Проценко И. Т. // Коллоидный журнал. 2003. Т. 65.
№ 1. С. 87−92.Состояние воды в мелкодисперсных гидрогелях на основе акриламида и акриловой кислоты / Самченко Ю. М., Атаманенко И. Д., Полторацкая Т. П., Ульберг З. Р. // Коллоидный журнал. 2006.
Т. 68. № 5. С. 670−673.Исследование физико-химических свойств гидрогелей, полученных на основе акриламида-акриловой кислоты / Алмабеков О. А., Ибрашева Р. К., Нұралы А.М. // Вестник Алматинского технологического университета. 2012.
№ 1. С. 60−64.Способ получения полимеров акрилатного типа / Поляков Д. К., Кирюхин Ю. И., Чвалун С. Н., Базуевская В. Н., Ковалев Ю. В. // патент на изобретение RUS 2 313 539 16.
10.2006.
Об эффективности местного применения гидрогелей карбополов при лечении синдрома диабетической стопы / Зиновьев Е. В., Ивахнюк Г. К., Лагвилава Т. О. // Вестник Российской военно-медицинской академии. 2012. № 4 (40).
С. 200−205.Ранозаживляющий эффект гидрогелей карбополов при аллоксановом диабете у крыс / Зиновьев Е. В., Ивахнюк Г. К., Дадаян К. А., Лагвилава Т. О. // Экспериментальная и клиническая фармакология. 2014. Т. 77. № 1.
С. 20−25.Исследование свойств гидрогелей на основе сополимеров 2-гидроксиэтилметакрилата / Валуев И. Л., Кудряшов В. К., Обыденнова И. В., Сытов Г. А., Валуев Л. И. // Вестник Московского университета. Серия 2: Химия. 2003. Т.
44. № 2. С. 149−152.Ранозаживляющие средства на основе карбополов / Лагвилава Т. О., Зиновьев Е. В., Ивахнюк Г. К., Гарабаджиу А. В., Сивова Е. В. // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2013.
№ 18 (44). С. 047−052.Исследование сорбционных характеристик полимерных минерал-наполненных композитов для медицины / Игнатьева Ю. А., Успенская М. В., Борисов О. В., Олехнович Р. О., Евсеев Р. А., Касанов К. Н. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 5 (93).
С. 52−56.Полимерные гидрогели для иммобилизации лекарственных веществ, обладающие эффектом памяти / Примаченко О. Н., Мариненко Е. А., Иванчев С. С. // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. 2014. Т. 56. №.
6. С. 552. Композиционный материал, способный к образованию гидрогеля, и гидрогель / Буянов А. Л., Ревельская Л. Г., Хрипунов А. К., Ткаченко А. А., Гофман И. В. // патент на изобретение RUS 2 298 022 20.
07.2005.
Применение наноразмерных агрегатов соединений акриловой кислоты в качестве защитных покрытий / Яруллин Р. С., Халяпов Р. М., Шайдуллин К. Ш., Низамеев И. Р., Галимзянова А. Р., Нефедьев Е. С. // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 16. С. 63−68.Обзор современных технологий получения суперабсорбирующих полимеров (сап) для комплекса акриловой кислоты ОАО «ГАЗПРОМ НЕФТЕХИМ САЛАВАТ» / Кильмухаметов М. Д., Садретдинов И. Ф. // Башкирский химический журнал. 2014.
Т. 21. № 2.
С. 5−14.Синтез сорбирующих полимеров медицинского назначения / Игнатьева Ю. А., Успенская М. В., Касанов К. Н. // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2014. № 23. С.
23−25.Создание и исследование эксплуатационных характеристик эластомерных композиций для ультразвуковой диагностики / Волкова К. В., Успенская М. В., Подзноев А. М. // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2014. № 10. С.
31−33.Изучение влияния различных факторов на структурно-механические и технологические характеристики гидрогелевых основ полимера акриловой кислоты / Слюсар О. И., Калмыкова Т. П., Керманиан Ф. // Ветеринарная патология. 2003. № 1.
С. 154−159. Абсорбирующие жидкость полимеры / Васильева Н. Г. // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 8.
С. 69−71.Исследование композиционных полиароматических аминов со сшитой полиакриловой кислотой / Каримова Д. А., Ахадов М. Ш., Каримова З. У. // В сборнике: Проблемы теории и практики современной науки Материалы V Международной научно-практической конференции. 2016. С. 123−126.Синтез и исследование криогеля на основе полиакриловой кислоты / Байтуганова М. Т., Даутбаева Л. М., Кайралапова Г. Ж., Бейсебеков М. К. // В сборнике: Химическая наука: современные достижения и историческая перспектива Материалы II Всероссийской научной Интернет-конференции с международным участием. Сервис виртуальных конференций Pax Grid; ИП Синяев Д.
Н. 2014. С. 14−16.Физические свойства нового антибактериального хирургического шовного материала / Князюк А. С., Бонцевич Д. Н., Поликарпов А. П., Пригожаева Л. М., Шевченко Н. И. // Журнал Гродненского государственного медицинского университета. 2015. № 1 (49). С.
94−97.Полимеры медико-биологического назначения / Штильман М. И. // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2010. Т.
52. № 9. С. 1551−1569.
Обоснование состава геля эвкалимина на основе сравнительного изучения реологических параметров редкосшитых акриловых полимеров / Семкина О. А., Суслина С. Н., Краснюк И. И. // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Медицина. 2004. №.
4. С. 216−222.Возможности улучшения эксплуатационных характеристик облетирующих растворов на основе жидкого стекла с помощью модифицирующих добавок различной природы / Тихомиров В. М., Сивцов Е. В., Наумов В. Н., Поляков А. В. // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2015. № 32 (58).
С. 38−42.Перспективные направления в разработке новых перевязочных средств / Бледнов А. В. // Новости хирургии. 2006. Т. 14. № 1. С.
9−19."Умные" полимерные гидрогели / Филиппова О. Е. // Природа. 2005. № 8. С.
11−17.Bhattacharya S., Srivastava A., Pal A. M odulation of viscoelastic properties of physical gels by nanoparticle doping: Influence of the nanoparticle capping agent // Angew. C hem. I nt. E.
d. 2006. V. 45. № 18.
P. 2934−2937.
Эффект памяти формы в полимерах / Белошенко В. А., Варюхин В. Н., Возняк Ю. В. // Успехи химии. 2005. Т. 74. № 3.
С. 285−306.ГОСТ 14 236−81. Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение.
ГОСТ 9012–59. Метод измерения твердости по Бринеллю.
