86
MÛANYAG- ÉS GUMIIPARI ÉVKÖNYV 2015
tékben leromlanak. A polimerek megfelelő kivá-
lasztásával azonban a klasszikus DN hidrogélek
legnagyobb hátránya kiküszöbölhető úgy, hogy
igen magas folyadéktartalom mellett kiváló me-
chanikai tulajdonságok érhetők el. Az új hidrogél
típust Suo és munkatársai publikálták először
2012-ben és hibrid hidrogéleknek nevezték el őket
[12, 13].
A hibrid hidrogélek alapja szintén két egymásba
hatoló térháló. A szerzők az első térháló kialakí-
tásához a természetes alapú alginátot használták
fel, míg a másik térháló fő alkotója ezen gél eseté-
ben is az akrilamid volt. Az alginát láncok anionos
karboxil csoportjaikon keresztül kalciumkationok-
kal (Ca
2+
) koordinálva kapcsolódnak egymáshoz,
míg a PAAm láncokat erősebb, kovalens kötések
tartják össze köszönhetően a BAAm keresztkötő
molekulának (6. a ábra). Külön-külön mindkét
rendszerből lehetséges hidrogélt létrehozni, de a
térhálók ötvözésével kapott hibrid hidrogélek me-
chanikai tulajdonságai sokkal jobbak, mint a kiin-
duló rendszerek bármelyike. A hibrid hidrogélek
elszakításához ~90 m/m% víztartalom mellett is
körülbelül 9000 J/m
2
repedési energiára van szük-
ség, ami összemérhető a természetes gumik elsza-
kításához szükséges energiabefektetéssel. Ez az
érték Ca
2+
-alginát gél esetében csak ~25 J/m
2
, míg
a BAAm-al térhálósított PAAm gél esetében is
csupán ~150 J/m
2
-nek adódik. A hibrid hidrogélek
eredeti hosszuknak akár húszszorosára nyújthatók
és a deformáció a hidrogélek sérülése nélkül egy-
más után többször megismételhető.
A rendkívüli tulajdonság hátterében az áll, hogy
terhelés hatására elsősorban az alginát láncok kö-
zötti gyenge, ionos kötések szakadnak fel. A repe-
dési energia disszipálódik az alginát térháló szét-
töredezésével. A lazán térhálósított PAAm térháló
azonban összetartja a hibrid gélt (6. b-d ábra). Az
ionos kölcsönhatások az alginát láncok között idő-
vel újraalakulnak (<1 nap), amegismételt terhelés so-
rán a hidrogél a korábbihoz hasonló modulust, szakí-
tószilárdságot és szakadási nyúlást mutat. Az alginát
alapú hibrid hidrogélek merevsége és szilárdsága
egyaránt növelhető, ha a kétértékű kalcium ionok
helyett háromértékű kationokat (Al
3+
, Fe
3+
) viszünk
a rendszerbe. Míg az adott összetételű Ca
2+
alginát/
PAAm hidrogéleket ~500 kPa szakítószilárdság
és ~50 kPa nagyságú modulus jellemzi, addig az
Fe
3+
alginát/PAAm hidrogélek esetében ugyanezen
jellemzők értéke ~1000 kPa és ~250 kPa [14].
Nanokompozit hidrogélek
A szívós hidrogélek külön csoportját alkotják
az ún. nanokompozit hidrogélek, melyeket el-
sőként Haraguchi publikált 2002-ben [15-17]. A
nanokompozit [NC] polimer hidrogélek olyan anya-
gi rendszerek, melyekben egyedi, homogénen el-
oszlatott nanoméretű részecskék vannak a polimer
gél mátrixban. Az eloszlatott töltőanyag részecskéi
változatos alakkal rendelkezhetnek (pl. lemez, ko-
rong, pálcika), de legalább egy méretüknek nano-
méteres tartományba kell esniük (1–100 nm). A
nanokompozit hidrogélekben alkalmazott töltőanyag
leggyakrabban valamilyen réteges szerkezetű szili-
kát (pl. agyagásvány), de használhatók más szervet-
len anyagok is (pl. grafén-oxid, szén nanocső [18]).
Az NC hidrogélek legismertebb típusában Laponite-
ot (szintetikus hektorit, korong alakú részecskéinek
vastagsága jellemzően 1 nm, átmérője 25 nm) osz-
latnak el
N
-izopropil-akrilamid (NIPAAm) oldatá-
ban, majd ezután a NIPAAm-ot gyökösen polime-
rizálják (8. a ábra). A kapott hidrogél mechanikai
tulajdonságai közül elsősorban a nagymértékű re-
verzibilis megnyúlás kiemelkedő, az NC hidrogélek
szakadási nyúlása akár 5000 % is lehet (8. b ábra). A
szervetlen nanorészecske és az alkalmazott polimer
koncentrációjától függően szakítószilárdságuk elér-
heti az ~1 MPa-t, rugalmassági modulusuk pedig az
~500 kPa-t.
7. ábra: A nanokompozit hidrogélek fő alkotói a Laponite
szintetikus agyagásvány és a poli(N-izopropil-akrilamid)
(PNIPAAm), a Laponite részecskék multifunkciós
térhálópontként funkcionálnak. b) A PNIPAAm-Laponite
hidrogélek nagymértékű reverzibilis alakváltozásra képesek
