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张志宏:什么是凝胶?

张志宏:什么是凝胶?

  凝胶

  一种特殊的分散体系,其中胶体颗粒或高聚物分子相互连接,搭成架子,形成空间网状结构,液体或气体在结构空隙中。其性质介于固体和液体之间,从外表看,它成固体状或半固体状,有弹性;但又和真正的固体不完全一样,其内部结构的强度往往有限,易于破坏。

  分类 凝胶是个总的名称,根据分散相质点的性质(刚性还是柔性)和形成结构时质点间连接的性质(结构的强度),可分为刚性凝胶与弹性凝胶两大类。多数的无机凝胶,如二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛、五氧化二钒等属于前者;而柔性的线型高聚物分子形成的凝胶,如橡胶、明胶、琼脂等属于后者。也可将凝胶分为可逆凝胶与不可逆凝胶两大类。

  制备 溶液或固体(干凝胶)都能形成凝胶。从固体制备凝胶比较简单,干胶吸收液体膨胀即成,通常为弹性凝胶。从溶液制备凝胶须满足两个基本条件:①降低溶解度,使固体物质从溶液中成“胶体分散态”析出;②析出的固体质点既不沉降,也不能自由移动,而是搭成骨架形成连续的网状结构。具体的制备方法可以有;①冷却胶体溶液,产生过饱和溶液。如0.5%琼脂溶液冷到35℃就形成固体状胶冻;②加入非溶剂,例如果胶水溶液加入酒精后就形成凝胶;③加入盐类,适量的电解质加入到胶粒的亲水性较强尤其是形状不对称的疏液溶胶中,即可形成凝胶,如五氧化二钒、氢氧化铁等;④化学反应,利用化学反应产生不溶物,并控制反应条件可得凝胶,如硅胶的制备。

  性质 凝胶的膨胀作用 弹性凝胶由线型高分子构成,因分子链有柔性,故吸收或释出液体时很易改变自身的体积,其吸收液体使自身体积增大的现象称为膨胀作用。这种作用具有选择性,只能吸收对它来讲是亲合性很强的液体。其膨胀可以是有限的,也可以是无限的,与其内部结构连接的强度有关,改变条件也可使有限膨胀变成无限膨胀,即膨胀的结果是完全溶解和形成均相溶液。

  根据膨胀机理的研究,可以认为膨胀过程分为两个阶段,第一阶段是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层,此过程时间很短,速度快;第二阶段是液体的渗透作用,此过程中凝胶吸收大量液体,体积大大增加。在膨胀过程中由于溶剂分子进入凝胶结构中的速度远大于大分子扩散到液体中的速度,使凝胶内外溶液浓度有很大差值,即溶剂的活度有很大差异,产生膨胀压。此值很可观,例如明胶浓度为50%时,膨胀压为13千克力/厘米2,66%时为45千克力/厘米2。古代埃及人曾利用木头吸水时产生很大的膨胀压来开采建造金字塔的石料,即所谓湿木裂石。

  凝胶的脱水收缩作用 凝胶在老化过程中会发生特殊的分层现象,称为脱水收缩作用或离浆作用,但析出的一层仍为凝胶,只是浓度比原先的大,而另一层也不是纯溶剂,是稀溶胶或高分子稀溶液。一般来说,弹性凝胶的离浆作用是个可逆过程,它是膨胀作用的逆过程;刚性凝胶的离浆作用是不可逆的。

  脱水收缩现象的实际例子很多,如人体衰老时皮肤的变皱、面制食品的变硬、淀粉浆糊的“干落”等。

  凝胶中的扩散与化学反应 凝胶和液体一样,作为一种介质,各种物理过程和化学过程都可在其中进行。物理过程主要是电导和扩散作用,当凝胶浓度低时,电导值与扩散速度和纯液体几乎没有区别,随着凝胶浓度的增加,两者的值都降低。利用凝胶骨架空隙的类似分子筛的作用,可以达到分离不同大小分子的目的,这就是近年来发展很快的凝胶电脉与凝胶色谱法。凝胶中的化学反应进行时因没有对流存在,生成的不溶物在凝胶内具有周期性分布的特点。自然界中有许多类似的现象,如玛瑙和玉石的周期性结构;植物体与动物体中也常遇到,如胆结石。

  应用 凝胶在国民经济与人们日常生活中占有重要地位。工业上,橡胶软化剂的应用,皮革的鞣制,纸浆的生产,吸附剂、催化剂和离子交换剂的使用;生物学和生理学中有重要意义的细胞膜,红血球膜和肌肉组织的纤维都是凝胶状物体。不少生理过程,如血液的凝结、人体的衰老等都与凝胶作用有关。

  又称冻胶。溶胶或中的胶体粒子或高分子定条件下互接,形成空间结构,结构中充满了作为分散介质的液体(在干凝胶中也可以是气体),这样一种特殊的分散体系称作凝胶。没有流动性。内部常含有大量液体。例如血凝胶、琼脂的含水量都可达99%以上。可分为弹性凝胶和脆性凝胶。弹性凝胶失去分散介质后,体积显著缩小,而当重新吸收分散介质时,体积又重新膨胀,例如明胶等。脆性凝胶失去或重新吸收分散介质时,形状和体积都不改变,例如硅胶等。由溶液或溶胶形成凝胶的过程称为胶凝作用(gelation)。

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