Изучение свойств геля

[Elektrolke]

Здравствуйте. Я работаю с кремнийорганической.Мы иммобилизуем микроорганизмы в золь-гель матрицы различного состава. Изначально при смешивании различных соотношений тетраэтоксилана и метилтриэтоксисилана (при щелочном катализе) образуется золь, после чего со временем гель. Нам важно изучить свойства получившегося в результате геля, а так же размеры получившихся пор. Размеры пор мы можем изучить методами электронной и атомно-силовой микроскопии, это для нас сложно в аппаратном плане, но все-таки возможно. А вот что делать со свойствами гелей? какие свойства изучают для гелей кроме вязкости и что они нам могут дать для понимания структуры матрицы?
Спасибо.

[avor]

Ой! Да свойств то очень много.
Например физические: плотность, прозрачность в разных областях спектра, коэф. преломления, содержание воды и сухого вещества.
Механические: упругость, прочность на разрыв, сжатие, твердость.
Физико-химические: Электроэндоосмос при различных рН, Сжимаемость набухаемость в различных растворителях, при различном составе водных растворов и рН среды
Химические: стойкость в различных растворителях, стойкость при разной температуре, стойкость при автоклавировании(вы же потом с микроорганизмами работать будете), стойкость к окисляющим агентам перекись, гипохлорит, стойкость в концентрированных щелочах и кислотах, стойкость в дезинфицирующих растворах, например в формалине и тд,тп.....

[vmu]

Размеры пор мы можем изучить методами электронной и атомно-силовой микроскопии, это для нас сложно в аппаратном плане, но все-таки возможно.

Для определения размеров пор лучше использовать метод низкотемпературной адсорбции азота (d_пор < 50 нм) или ртутной порометрии (d_пор от ~3 нм до нескольких сотен мкм).

[vmu]

какие свойства изучают для гелей кроме вязкости

Вязкость геля особо и не поизучаешь, т.к. она равна бесконечности (связнодисперсная система, не течёт).
Можно изучать кинетику образования геля, измеряя изменение вязкости реакционного раствора по мере протекания поликонденсации.

[ЕЖ]

Поправьте меня, если ошибаюсь, но свойства "просто так", из любви к искусству, изучать не стОит Тем более, что их много.

Elektrolke, Вы определитесь, для чего Вам эти свойства нужны. Может, как параметр контроля качества геля, может для выбора оптимального режима формирования геля, может для оценки возможности его использования в дальнейших вполне определенных целях. Тогда и упор следует делать на конкретный показатель, обоснованно.

[Elektrolke]

спасибо вам за отзывчивость

Поправьте меня, если ошибаюсь, но свойства "просто так", из любви к искусству, изучать не стОит Тем более, что их много.
Elektrolke, Вы определитесь, для чего Вам эти свойства нужны. Может, как параметр контроля качества геля, может для выбора оптимального режима формирования геля, может для оценки возможности его использования в дальнейших вполне определенных целях. Тогда и упор следует делать на конкретный показатель, обоснованно.

мне нужно изучить структуру геля через его свойства. По вязкости, я думаю, определить когда весь золь перешел в гель. по методу ИК-спекроскопии стали изучать сколько у нас образуется связей -Si-O-Si- во времени.вот и не знаю какие мне нужны изучать физические и химические свойства, чтобы изучить структуру.

Для определения размеров пор лучше использовать метод низкотемпературной адсорбции азота (d_пор < 50 нм) или ртутной порометрии (d_пор от ~3 нм до нескольких сотен мкм).

а это как?? перый раз о таком слышу

Ой! Да свойств то очень много.

вот это меня и строшит, что много свойств, а что изучать для получения картины структуры геля (плотности упаковки, размер пор (поскольку вводим еще ПЭГ разной длинны цепи)) не знаю

[vmu]

Несколько полезных статей:

[Elektrolke]

Несколько полезных статей

спасибо. на сколько я поняла при беглом просматривании, то 2 статьи это ликбез по гелям, золям и просто методам, без применения...сейчас будем разбираться с низкотемпературной адсорбции азота и ртутной порометрии. А вы мне не подскажете, где это у нас делают????

и все-таки вопрос о физических и химических свойствах остается открытый

[Elektrolke]

Размеры пор мы можем изучить методами электронной и атомно-силовой микроскопии, это для нас сложно в аппаратном плане, но все-таки возможно.

Для определения размеров пор лучше использовать метод низкотемпературной адсорбции азота (d_пор < 50 нм) или ртутной порометрии (d_пор от ~3 нм до нескольких сотен мкм).

что-то я почитала про эти методы и поняла, что их можно использовать только для твердых поверхностей. А у нас гель, который при высушивании растрескивается...

[avor]

Гыы! смешно, но это было очевидно, у вас влажный гель, а это методы для твердых пористых адсорбентов типа АУ и СГ, вам они очевидно не подходят. Между прочим ЭМикроскопия работает только в глубоком вакууме, и вам она тоже не подойдет, а АФМ надо быть большим мастером, чтоб на мягком полимере работать, к тому же она дает информацию только о поверхности. Как впрочем и большинство методов. Ваши поры можно попробовать оценить с помощью ГПХ, но это будут не прямые, а относительные данные, к тому же она работает не во всех диапазонах размеров пор. Что то может дать светорассеяние, но я не мастер в физических методах коллоидной химии

[Elektrolke]

avor, простите за мою некомпетентность, но как же тогда мы можем определить размер пор во влажном состоянии?? выходит напрямую никак? а высушивание геля для нас неприменимо
а как мы можем методом ГПХ определить размер пор? хоть относительно? я так понимаю, что ГПХ используют для разделение веществ по молекулярным массам. У нас же смесь двух силанов, ПЭГ и щелочного катализатора...

[vmu]

Всё-таки по совету ЕЖа определитесь с требованими, предъявляемыми к материалу. В какой форме лучше синтезировать и использовать гель: в виде монолита; частиц, полученных при измельчении монолита; тонкого слоя? Как будет осуществляться массоперенос в конечном продукте: диффузионно, конвективно? Это будет проточный реактор или что-то ещё? Какое количество микроорганизмов требуется иммобилизовать? Отсюда и требования к площади поверхности, распределению размеров пор и методам их определения. В микро- или мезопору бактерию не засунешь. Тогда нужно получать макропористый материал (для этого и используете ПЭГ). Возможно, имеет смысл получать ксерогели (высушенные гели), а уже затем делать с ними всё, что душа пожелает. Высушить макропористый материал без растрескивания проще, чем микропористый. Вероятно, есть смысл проводить синтез в кислой среде и обратить внимание на условия старения геля. Ниже пара статей Вам в помощь.

мне нужно изучить структуру геля через его свойства ... вот и не знаю какие мне нужны изучать физические и химические свойства, чтобы изучить структуру.

Есть структура пространственная (размер пор и т.п.), а есть химическая (функциональные группы на поверхности). Все методы изучения пористой структуры кратко описаны в приложенных ранее файлах. Сомневаюсь, что Вам нужны такие свойства, как упругость или прочность на разрыв... В плане ФГ: силанолы есть - пришивай, что хочешь. Вопрос лишь в условиях эксплуатации материала (pH, температура, окислители).

низкотемпературная адсорбция азота и ртутная порометрия ... А вы мне не подскажете, где это у нас делают????

Низкотемпературная адсорбция азота - самый распространённый метод определения удельной площади поверхности и размеров пор (до 50 нм). Если надумаете его использовать, то ищите в какой-нибудь лаборатории, занимающейся синтезом новых материалов или гетерогенным катализом. Прибор для ртутной порометрии можно искать там же, но вероятность найти меньше.

[avor]

avor, простите за мою некомпетентность, но как же тогда мы можем определить размер пор во влажном состоянии?? выходит напрямую никак? а высушивание геля для нас неприменимо
а как мы можем методом ГПХ определить размер пор? хоть относительно? я так понимаю, что ГПХ используют для разделение веществ по молекулярным массам. У нас же смесь двух силанов, ПЭГ и щелочного катализатора...

Ну принцип простой вы фильтруете через гель раствор с молекулами определенного размера они либо проходят либо задерживаются. Соответственно если поры больше молекулы, то молекулы проходят, если меньше то застревают. Это если использовать сплошной монолитный гель, а если использовать слой гранул из вашего геля, то все наоборот большие молекулы выходят быстро, потому что летят между гранул и в порах не застревают, а маленькие наоборот медленно потому что застревают в порах гранул.

[vmu]

Ну принцип простой вы фильтруете через гель раствор с молекулами определенного размера они либо проходят либо задерживаются. Соответственно если поры больше молекулы, то молекулы проходят, если меньше то застревают. Это если использовать сплошной монолитный гель, а если использовать слой гранул из вашего геля, то все наоборот большие молекулы выходят быстро, потому что летят между гранул и в порах не застревают, а маленькие наоборот медленно потому что застревают в порах гранул.

Если поры монолита меньше молекул, то через него ничего не прокачаешь: слишком большое давление потребуется.
Если монолит имеет бимодальное распределение размеров пор, скажем, макропоры диаметром ~ 1 мкм + мезопоры ~ 10 нм, то получаем эквивалент колонки с гранулированным сорбентом: элюент течёт через макропоры монолита, как между гранулами, а мезопоры в монолите аналогичны мезопорам в гранулах. Коэффициент распределения из макропор в мезопоры для малых молекул выше, чем для больших, поэтому малые молекулы удерживаются дольше.
Макромолекулы, которые вообще не проникают в мезопоры, тоже разделяются (хотя и похуже) за счёт эксклюзии из областей вблизи стенок макропор, где скорость потока ниже, чем в центре поры (~ параболический профиль скоростей). Последнее есть так называемая гидродинамическая хроматография (ГДХ). И ГПХ, и ГДХ ветви зависимости удерживаемого объёма от молекулярной массы полимера можно использовать как калибровку для определения ММР полимеров, а можно и для определения неизвестных структурных характеристик материала. Часто используют термин inverse (т.е. обратная) size-exclusion chromatography и (реже) inverse hydrodynamic chromatography. Но это скорее метод сравнения размеров пор в серии образцов одинаковой природы, чем метод определения точных размеров.

[avor]

Если поры монолита меньше молекул, то через него ничего не прокачаешь: слишком большое давление потребуется.

Меньше молекул растворителя? Безусловно... Кстати давление продавливание кроме размера сильно зависит от удельной пористости и скорости продавливания.

--Если монолит имеет бимодальное распределение размеров пор, скажем, макропоры диаметром ~ 1 мкм + мезопоры ~ 10 нм, то получаем эквивалент колонки с гранулированным сорбентом:

Зависит от топологии пор. Мезопоры могут вообще не иметь контакта с макро. Но закрытые поры вообще трудно анализировать, хотя они могут быть и открытыми.
А зачем нам вообще то вся эта экзотика, тут бы на кобылу залезть, а уж потом разбираться, на какую ногу она хромает.

Ну и вообще, выше же было сказано ,что это непрямой и уж тем более на абсолютный способ.

Но на безрыбье и рак рыба.

[vmu]

Если поры монолита меньше молекул, то через него ничего не прокачаешь: слишком большое давление потребуется.

Меньше молекул растворителя? Безусловно... Кстати давление продавливание кроме размера сильно зависит от удельной пористости и скорости продавливания, чем от размеров пор.

--Если монолит имеет бимодальное распределение размеров пор, скажем, макропоры диаметром ~ 1 мкм + мезопоры ~ 10 нм, то получаем эквивалент колонки с гранулированным сорбентом:

Зависит от топологии пор. Мезопоры могут вообще не иметь контакта с макро. Но закрытые поры вообще трудно анализировать, хотя они могут быть и открытыми.

1) Даже если размеры пор монолита сопоставимы с размерами молекул полимеров (~1-100 нм) или молекул растворителя (<1 нм), а пористость (гипотетически) равна 0,99 (или 99%), прокачивать элюент через колонку достаточной для разделения длины, заполненную таким материалом, с ПРИЕМЛЕМОЙ скоростью при РАЗУМНОМ перепаде давления не получится. Давление (при фиксированной линейной скорости потока) как раз больше зависит от размеров пор (p ~ 1/d_пор²), чем от пористости E (p ~ 1/E).
2) Конечно, речь идёт только об открытых, связянных в единую сеть порах! Закрытые поры влияют на механическую прочность, теплопроводность и кажущуюся плотность материала. Нужны ли эти характеристики Elektrolke - вопрос. Механическая прочность важна, только если предполагается работать при высоком давлении. На сорбционную ёмкость и кинетику массопереноса закрытые поры не влияют.

А зачем нам вообще то вся эта экзотика, тут бы на кобылу залезть, а уж потом разбираться, на какую ногу она хромает. Ну и вообще, выше же было сказано ,что это непрямой и уж тем более на абсолютный способ. Но на безрыбье и рак рыба.

Согласен. Тут можно только повторить пост ЕЖа. Сначала - цели и требования, затем - методы исследования.

[Elektrolke]

Всё-таки по совету ЕЖа определитесь с требованими, предъявляемыми к материалу. В какой форме лучше синтезировать и использовать гель: в виде монолита; частиц, полученных при измельчении монолита; тонкого слоя? Как будет осуществляться массоперенос в конечном продукте: диффузионно, конвективно? Это будет проточный реактор или что-то ещё? Какое количество микроорганизмов требуется иммобилизовать? Отсюда и требования к площади поверхности, распределению размеров пор и методам их определения. В микро- или мезопору бактерию не засунешь. Тогда нужно получать макропористый материал (для этого и используете ПЭГ). Возможно, имеет смысл получать ксерогели (высушенные гели), а уже затем делать с ними всё, что душа пожелает. Высушить макропористый материал без растрескивания проще, чем микропористый. Вероятно, есть смысл проводить синтез в кислой среде и обратить внимание на условия старения геля. Ниже пара статей Вам в помощь.

Предположительно (из литературы) наш гель имеет мезопоры и макропоры. Синтезируем в щелочной среде, так как в кислой требуется перемешивание УЗ и созревание геля происходит в течении недели, что нас не устраивает. В сам гель на стадии формирования замешиваем микроорганизмы, дальше наносим кусок геля на электрод и измеряем дыхательную активность клеток. Они у нас сохраняют жизнеспособность порядка 2х недель, то есть им там в принципе комфортно и они не смываются. Поэтому теперь остро встал вопрос о том, какая структура нашего геля и какой размер пор у нас все ж получается. Мы предпологаем образование на стадии конденсации связей -Si-O-Si- и удлинение цепи. Методом ИК-спектроскопии хотели изучить увеличение их во времени, однако из-за того, что система многокомпонентная это нам дает тяжело. Получить ксерогель нам проблемотично, поскольку при высушивании он у нас растрескивается. Пытались смотреть на световом микроскопе распределение МО у нас в геле, но в сухом состоянии отчетливо видны трещины, а при использовании покровного стекла у нас нескончаемых поток жидкости. Тоже мало что дало, однако о более-менее равномерном распределении МО говорить можем. За статьи спасибо =)

[Elektrolke]

На счет хроматографии более-менее поняла, спасибо. В перспективе думает сравнивать несколько матриц одного типа.
Но изначально хочется изучить химическую и пространственную структуру одного геля: какие поры нас там и функциональные группы...

[vmu]

Мы предпологаем образование на стадии конденсации связей -Si-O-Si- и удлинение цепи.

Это очевидно. За счёт этого гель и образуется.

какие поры нас там и функциональные группы....

Из групп там =Si-CH3 да силанолы =Si-OH. Все Si-OEt должны благополучно гидролизоваться.
Наличие =Si-CH3 делает поверхность геля более гидрофобной и чуть более устойчивой к гидролизу + использование метилтриэтоксисилана позволяет несколько снизить хрупкость геля при высушивании. Больше ничего интересного про них не скажешь.
Можно разбираться, сколько там силанолов, сколько их геминальных и сколько вицинальных, но для чего? Только если планируется что-нибудь пришить к поверхности силикагеля.
Изучать пористую структуру мягкого влажного геля проблематично. Даже ГПХ тут трудно реализовать: нормально заполнить колонку таким гелем трудно. Можно, конечно, определять коэффициенты распределения полимеров разной массы из внешнего раствора в поры геля в статических условиях, но о размерах макропор ничего не узнаем. Да и вообще набор узкодисперсных полимерных стандартов дороговатое удовольствие.

В сам гель на стадии формирования замешиваем микроорганизмы, дальше наносим кусок геля на электрод ... Получить ксерогель нам проблемотично, поскольку при высушивании он у нас растрескивается.

А нельзя ли всё-таки сначала получить ксерогель, изучить и оптимизировать его структуру, условия гидролиза, старения, сушки, а затем на него иммобилизовать МО? Или поменять условия сушки геля с МО? Если при сушке структура геля несильно меняется, то небольшое растрескивание может быть и некритично для последующего анализа "сухими" методами. Как гель закрепляется на поверхности электрода? Не удобнее ли синтезировать гель сразу на поверхности?

[vmu]

Или поменять условия сушки геля с МО?

Например, сушить из сверхкритического флюида. Бактерии, вероятно, отойдут в мир иной, но пористая структура сохранится, и её можно будет изучить "сухими" методами.