I. TỔNG QUAN
1.4.1. Nguyên tắc chung
Theo định nghĩa, hydrogel là một polyme mạng lưới có liên kết ngang và mang đặc tính hút nước. Thông thường hydrogel được điều chế từ các monome ưa nước, monome kỵ nước đôi khi cũng được dùng để điều chế hydrogel, nhằm điều chỉnh các thuộc tính cho những ứng dụng riêng biệt. Nhìn chung, ba phần không thể thiếu của quá trình tổng hợp chất hydrogel là monome, chất khơi mào và tác nhân liên kết ngang. Để kiểm soát nhiệt độ trùng hợp và các sản phẩm
hydrogel, chất pha loãng có thể được sử dụng, chẳng hạn như nước hoặc dung dịch nước khác. Sau khi tổng hợp, lượng chất hydrogel cần phải được rửa sạch để loại bỏ các tạp chất còn sót lại từ quá trình tổng hợp. Các tạp chất bao gồm các monome không phản ứng, chất khơi mào, tác nhân liên kết ngang, cũng như các sản phẩm không mong muốn của các phản ứng phụ. Các tính chất hydrogel có thể được điều khiển bằng cách thay đổi các yếu tố trong quá trình tổng hợp, chẳng hạn như bình phản ứng, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng, loại monome, loại tác nhân liên kết ngang, tỷ lệ tác nhân liên kết ngang - monome, nồng độ monome, loại và lượng chất khơi mào [96].
Hydrogel thường được trùng hợp bằng kỹ thuật trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, và sử dụng kỹ thuật phân tán ngược. Trong khi hai phản ứng đầu phản ứng trong hệ đồng thể, phương pháp phân tán ngược được thực hiện trong các pha phân tán và liên tục. Trong số các phương pháp polyme hóa đồng thể, trùng hợp dung dịch được ưa chuộng do dễ kiểm soát nhiệt độ trùng hợp, và do đó dễ kiểm soát các tính chất polyme. Hầu hết các chất hydrogel độ trương lớn được trùng hợp theo cách này. Nhìn chung monome, chất khơi mào, tác nhân liên kết ngang dễ tan trong nước, hoặc có khả năng hòa tan tốt trong nước. Các sản phẩm của phản ứng này có thể được sấy khô và nghiền ra thành bột cho các ứng dụng khác nhau. Các hạt có kích thước khác nhau được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Ví dụ, các hạt trong phạm vi kích thước của 150-300 mm thường được sử dụng cho các sản phẩm vệ sinh. Trong nông nghiệp, hạt rất nhỏ được sử dụng hỗ trợ hạt nảy mầm, trong khi các hạt lớn hơn được sử dụng để làm ẩm đất. Hydrogel cũng có thể được điều chế ở kích thước micron bằng kỹ thuật phân tán nghịch đảo trong các pha phân tán và liên tục. Pha phân tán là dung dịch nước và pha liên tục là các dung dịch hữu cơ. Monome thường hòa tan trong pha phân tán, và một số chất hoạt động bề mặt được hòa tan trong pha hữu cơ để giúp các monome và các tác nhân dung dịch nước khác được phân tán hiệu quả sang pha liên tục. Mặc dù phương pháp này cho phép điều chế các hạt
có kích thước mong muốn, việc loại bỏ các dung môi hữu cơ, chẳng hạn như n- hexan và toluen, là một thách thức lớn.
Hình 1.11 mô tả một quá trình trùng hợp hydrogel từ các monome trong sự có mặt của chất xúc tác và chất tạo lưới.
Hình 1.11. Sơ đồ quá trình tổng hợp hydrogel
Polyme hóa dung dịch/liên kết ngang, polyme hóa huyền phù, trùng hợp bởi bức xạ, liên kết ngang hóa học và vật lý là các phương pháp điều chế hydrogel khi sử dụng các monome khác nhau, như một polyme hay copolyme. Bảng 1.3 mô tả các phương pháp điều chế polyme thông dụng và các sản phẩm thường thu được bằng các phương pháp này. Bảng 1.4 mô tả các ví dụ điều chế hydrogel bằng các phương pháp khác nhau.
Bảng 1.3. Một số ví dụ về phương pháp điều chế và các monome [97,98] TT Phƣơng pháp điều chế Các monome và polyme tƣơng thích với các phƣơng pháp Ghi chú 1 Trùng hợp dung dịch/liên kết ngang Poly(2-hydroxyetyl metacrylat) metacylic axit, N- isopropylacrylamit
Nhậy nhiệt hoặc pH và phần lớn các hydrogel được tổng hợp bằng phương pháp này 2 Trùng hợp huyền phù Poly(vinyl ancol), poly(hydroxy etyl metacrylat)
Hạt vi cầu hydrogel với đường kính từ 1m đến 1mm 3 Trùng hợp bởi bức xạ Poly(vinyl ancol), poly(etylen glycol), poly(acrylic axit) Có thể điều chế các hydrogel của các hợp chất không no 4 Trùng hợp bởi các
liên kết ngang hóa học
Poly(metacrylic axit), poly(etylen glycol)
Các tác nhân liên kết chéo rất độc do đó tạo ra vấn đề phải loại bỏ các tác nhân không tham gia phản ứng
5 Bằng các liên kết ngang vật lý
Chitosan, poly(acrylic axit)
Phương pháp để giải quyết vấn đề loại bỏ các tác nhân liên kết hóa học độc hại.
Bảng 1.4. Một số hydrogel điều chế bằng các phương pháp khác nhau [97,98]
TT Phƣơng pháp điều chế Kiểu Các hệ polyme
1 Trùng hợp dung dịch/liên kết ngang với chất khơi mào oxi hóa
pH Poly(metacrylic axit-co-metyl metacrylat)
2 Trùng hợp dung dịch/liên kết ngang với chất khơi mào oxi hóa
Nhiệt Poly(N-t butyl acryl amit-co acrylamit)
3 Liên kết vật lý pH Chitosan-alginat, chitosan caboxymetylcellulo sodium và Chitosan carbopol
4 Trùng hợp dung dịch/liên kết ngang bằng khơi mào ôxi hóa
Nhiệt Poly(N-isopropylacrylamit) (PNIPAAm)- poly(etylenglycol)diacrylat 5 Trùng hợp bằng bức xạ pH Agarose và carbomer 974P macromer Poly(acrylamit-co- acrylic axit) 6 Trùng hợp dung dịch/liên kết ngang với chất khơi mào oxi hóa
pH Poly(acrylamit-co-acrylic axit)
7 Trùng hợp dung dịch/liên kết ngang với chất khơi mào oxi hóa
Nhiệt N-allyl maleic axit (AMA) với acrylamit và acrylic axit
8 Trùng hợp dung dịch/liên kết ngang bằng khơi mào nhiệt
Nhiệt N-allyl maleic axit (AMA) với acrylamid và acrylic axit
9 Trùng hợp dung dịch/liên kết ngang bằng kích thích tia cực tím
pH Poly(etylen glycol) metacrylat- graft-poly(glutamic axit)
10 Phóng xạ tia gama Ion Acrylamit/2-hydroxyetyl metacrylat