Гели и их использование в косметологии (стр. 2 из 4)

Неэластичные студни впитывают любую смачивающую их жидкость, при этом объем их почти не изменяется. Эластичные студни поглощают не все смачивающие их жидкости, а только некоторые. Чаще всего такими жидкостями являются те, в которых вещество студня может существовать также в виде золя, и те, которые сходны с ними по своему химическому составу. Здесь наблюдается избирательная способность к впитыванию. Избирательное поглощение жидкости эластичным студнем сопровождается сильным увеличением его объема. Это явление называется набуханием. Способность к набуханию — наиболее характерное свойство высокомолекулярных веществ, являющееся одним из методов получения гелей. Желатин и агар-агар набухают только в воде или в водных растворах и не набухают в жидких органических веществах. Каучук набухает в сероуглероде, бензоле и его производных, но не набухает в воде.

Набухание студня часто приводит к образованию золя. Так, гуммиарабик в воде,

каучук в бензоле сначала набухают, а затем переходят в коллоидный раствор. Нередко процесс ограничивается одним набуханием и золь не образуется (например, набухание целлюлозы в воде, вулканизированного каучука в органических жидкостях).

Студни первого рода называются неограниченно набухающими, студни второго рода — ограниченно набухающими студнями. Желатин и агар-агар в холодной воде представляют собой ограниченно набухающие студни, а при повышении температуры становятся неограниченно набухающими.

Объем жидкости, поглощенной гелем при набухании, часто значительно превосходит массу сухого вещества студня, вследствие чего происходит увеличение его массы и объема. Увеличение объема студня служит причиной давления набухания, т. е. давления, которое оказывает набухающее вещество при увеличении своего объема на встречаемые им препятствия.

При набухании наряду с увеличением объема студня происходит сжатие всей системы, т. е. общий объем всей набухшей системы меньше суммы исходных объемов сухого студня и жидкости. Это явление носит название контракции. Набухание сопровождается выделением теплоты, которая называется тепловым эффектом набухания.

Набухание зависит от температуры, давления и природы растворенных веществ. При набухании желатина, агар-агара и других гидрофильных гелей большое значение имеет присутствие в воде электролитов.

Действие кислот и щелочей на набухание определяют преимущественно величиной рН раствора. В изоэлектрической точке студни обнаруживают минимум набухания; при повышении концентрации водородных или гидроксидионов набухание сначала увеличивается, достигает определенного максимума, а затем при очень больших концентрациях ионов Н⁺ и ОН~ снова начинает падать. Минимум набухания желатина проявляется при значении рН, приблизительно равном 4,7, а максимум набухания при значении рН, приблизительно равном 3,2. На набухание оказывают влияние также и нейтральные соли.

4. Факторы студне - и гелеобразования

Гелеобразование в коллоидных системах и студнеобразование в растворах органических полимеров зависят от ряда факторов, из которых наиболее существенны размеры и форма частиц или макромолекул, соотношение дисперсной фазы и дисперсионной среды (концентрация), температура, время и присутствие электролитов.

Гелеобразование напоминает процесс коагуляции коллоидных систем. Все факторы, обусловливающие коагуляцию, в той или иной степени влияют и на процесс образования гелей.

Однако: между коагуляцией и студне- и гелеобразованием имеется и существенная разница. Коагулируя, коллоидные частицы соединяются в компактные агрегаты, а коллоидный раствор разделяется на две фазы: жидкую—дисперсионную среду и более или менее твердую — коагель. При студне- и гелеобразовании подобного разделения нет, растворитель полностью остается в системе, концентрация дисперсной фазы во всех частях геля и студня остается неизменной.

Форма частиц дисперсной фазы коллоидных систем, размеры и разветвленность молекул полимеров существенно влияют на студне- и гелеобразование. Экспериментально установлено, что гели образуются в золях, частицы которых обладают резко выраженной анизодпаметричной формой, т. е. палочкообразны, игольчаты или листочкоподобны. Чем ярче выражена анизодиаметричность, тем при меньшей концентрации золя легче образуется гель. Особенно легко, даже при малых концентрациях, образуют студни высокомолекулярные соединения, у которых длина макромолекул достигает нескольких тысяч А ,и в тысячи раз превышает поперечные размеры.

Гелеобразование можно представить следующим образом. Удлиненные частицы дисперсной фазы в процессе кинетического движения сталкиваются и сцепляются друг с другом определенными участками. Такими участками обычно бывают концы удлиненных частиц или углы листочков, т. к. в этих местах толщина сольватной оболочки наименьшая и ниже значение С-потеициала.

Дисперсионная среда захватывается сеткой, как губкой, т. е. полностью иммобилизуется, благодаря чему система теряет текучесть и переходит в твердообразное состояние. Следовательно, застудневание обусловливается не слиянием сольватных слоев, находящихся на частицах дисперсной фазы, а образованием сетчатых структур за счет взаимодействия активных участков частиц дисперсной фазы.

Зависимость застудневания от наличия на частицах не сольватированных или слабосольватированных участков подтверждается тем, что с введением в коллоидную

систему веществ, повышающих гидратацию (сольватацию), гелеобразование затрудняется. С понижением сольватации частиц гелеобразование, наоборот, облегчается. Таким образом, для образования геля необходимо, чтобы на частицах дисперсной фазы одновременно были и сольватированные и несольвати-рованные участки.

Структурообразование в растворах высокомолекулярных соединений происходит потому, что макромолекулы сцепляются активными группами, а их основные линейные цепи и боковые ответвления могут переплетаться («свойлачиваться»), создавая сетчатую структуру.

Концентрация оказывает существенное влияние на студне- и гелеобразование. При прочих равных условиях более концентрированные коллоиды и растворы высокомолекулярных соединений легче переходят в гели и студни, чем разбавленные. Так, например, 2°/о-ные и более концентрированные растворы желатина легко превращаются при комнатной температуре в студни. Растворы 0,5—1°/о-ные дают слабые, трудно сохраняющие форму студни, а еще более разбавленные не желатинируются совершенно.

Большая зависимость студне- и гелеобразования от концентрации объясняется тем, что в более концентрированных системах уменьшается расстояние между частицами и макромолекулами, благодаря чему увеличивается число столкновений частиц и облегчается образование структур за счет их сцепления активными центрами.

В различных коллоидных системах и растворах полимеров минимальная концентрация геле- и студнеобразования зависит от природы дисперсной фазы. Так, глютин застудневает при 5%-ной концентрации, золь кремневой кислоты — при 3— 6%-ном содержании Si0₂, агар принимает студнеобразное строение при 0,1— 0,2%-ной концентрации, а германиевокислый кальций дает гель при содержании воды 99,935%. Понятно, что эти концентрации для различных систем могут меняться в зависимости от способа приготовления золя или раствора полимера, его чистоты и ряда других условий, но основной принцип зависимости желатинирования и гелеобразования от концентрации остается неизменным.

Температура также сильно влияет на процесс студне- и гелеобразования. С повышением температуры застудневание растворов полимеров обычно затрудняется. Растворы, не застудневающие при комнатной температуре, при понижении температуры могут превратиться в твердые студни. Например, глютин при комнатной температуре застудневает в 5%-ном растворе, а при 0°С застудневает с уменьшением концентрации в двадцать раз. С другой стороны, нагревание весьма твердых студней, например, студня 10%-ного желатина, переводит их в легкотекучую жидкость.

Влияние температуры на процесс студне- и гелеобразования объясняется тем, что

нагревание усиливает тепловое движение макромолекул или коллоидных частиц и ослабляет связи между ними.

Образование сетчатых структур из частиц дисперсной фазы идет тем легче, чем меньше скорость их движения, т. е. чем ниже температура.

Для каждой коллоидной системы и раствора полимера существует определенная температура, выше которой геле-и студнеобразование невозможно. В большинстве коллоидов чем выше концентрация, тем при более высокой температуре начнется гелеобразование.