Struktura a vlastnosti polymerních hydrogelů s vysokou pevností

• Thesis title in Czech: Struktura a vlastnosti polymerních hydrogelů s vysokou pevností
• Thesis title in English: Structure and properties of polymer hydrogels with high strength
• Key words: hydrogel,mechanické vlastnosti, termické vlastnosti
• English key words: hydrogel, mechanical properties,thermal properties
• Academic year of topic announcement: 2012/2013
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: čeština
• Department: Department of Macromolecular Physics (32-KMF)
• Supervisor: doc. RNDr. Ivan Krakovský, CSc.

Guidelines

1. Studium odborné literatury, týkající se přípravy, struktury a fyzikálních vlastností polymerních hydrogelů.
2. Studium experimentálních metod, které budou využívány během práce.
4. Příprava materiálů.
3. Experimentální studium materiálů pomocí kombinace metod (infračervená, mechanická spektroskopie, rozptyl X-paprsků a neutronů, diferenční skanovací kalorimetrie)
5. Vyhodnocení výsledků
6. Příprava publikací

References

[1] Polymer Hydrogels. Fundamentals and Biomedical Applications. D. DeRossi, K. Kajiwara, Y. Osada, A.Yamauchi (Eds.). Plenum
Press, NY 1991, ISBN: 0-306-43805-4
[2] Handbook of Hydrogels. Properties, Preparation & Applications. D.B. Stein (Ed.). Nova Science Publishers 2009, ISBN:
978-1-60741-702-6
[3] B. Wunderlich: Thermal Analysis of Polymers, Springer 2005, ISBN: 3-540-23629-5
[4] R.-J. Roe: Methods of X-Ray and Neutron Scattering in Polymer Science, Oxford University Press 2000, ISBN:
0-19-511321-7

Preliminary scope of work

Polymerní hydrogely představují zajímavý fyzikální systém, protože jejich struktura je vysoce citlivá na vnější podněty jako např. změna teploty, chemického složení okolního prostředí, přítomnost elektrického pole, expozice viditelného nebo ultrafialového záření apod. Hydrogely se obvykle připravují bobtnáním hydrofilních polymerních sítí ve vodě nebo síťující polymerizací vhodného monomeru rozpuštěného ve vodě.
Použití hydrogelů připravených z jediné polymerní sítě je omezeno jejich nízkou mechanickou pevností. Dlouhou dobu se soudilo, že tuto nevýhodu není možno odstranit kvůli velkému obsahu vody a vysoké heterogenitě na prostorové škále několika mikronů. Avšak, nové postupy vyvinuté v poslední době umožnily přípravu hydrogelů s extrémně vysokou pevností, čímž vyvrátily předchozí domněnky. Obzvlášte, hydrogely připravené kombinací dvou různých polymerních sítí se zdají být perspektivní kvůli jednoduchosti přípravy a variabilitě konečné struktury.
V naší laboratoři jsme tuto metodu úspěšně použili k přípravě epoxidových hydrogelů s vysokou pevností. V této souvislosti se vynořuje mnoho dosud nezodpovězených otázek jako např. detaily vzniku druhé sítě v prostředí prvního hydrogelu, vliv podmínek přípravy (hustota sesíťování první sítě, koncentrace druhé sítě, reakční doba) na výslednou strukturu a optimální podmínky pro přípravu systémů s vysokou pevností apod.
Cílem navrhované doktorské práce bude příprava nových hydrogelových systémů s vysokou pevností a výzkum jejich struktury, mechanických a termických vlastností. Důraz bude kladen na materiály pro moderní aplikace (senzory, mikromechanická nebo optická zařízení).
Práce má převážne experimentální charakter a bude realizována v laboratořích Katedry makromolekulární fyziky v Praze. Měření maloúhlového rozptylu X-paprsků se uskuteční na novém zařízení v Centru pro nové technologie, Západočeské univerzity v Plzni. Měření neutronového rozptylu budou realizována za podpory Evropského rámcového programu na zařízení v Ústavu E. Wignera v Budapešti.

Preliminary scope of work in English

Polymer hydrogels represent an interesting physical system due to high sensitivity of their structure to external stimuli, such as, change of temperature, chemical composition of environment, electric filed, exposition to visible or ultraviolet light, etc. They are usually prepared by swelling of hydrophilic polymer networks in water or crosslinking polymerization of a monomer dissolved in water.
Applications of hydrogels prepared using single polymer network are limited because of their low mechanical strength. For a long time it was thought that this disadvantage of hydrogels is unavoidable since they contain high amount of water and are highly heteregoneous on micrometer scale. However, new approaches developed recently have demonstrated successful ways of preparation of hydrogels of extremely high mechanical strength and have disproved previous preconceptions. Especially, double-network hydrogels seem to be very attractive due to easiness of their preparation and variability of final structure.
In our laboratory we have used double-network concept in epoxy-based systems and prepared successfully epoxy hydrogels with extremely high mechanical strength. Now, many questions about hydrogel formation-structure-properties relationship arise, e.g., details of formation of second network in the first hydrogel, influence of preparation conditions (crosslinking density of first network, concentration of second network, reaction time) on the resulting structure, optimum conditions to prepare systems with highest mechanical strength, etc.
The aim of the PhD research work proposed will consist in preparation of new hydrogel systems with high strength and investigation of their structure, mechanical and thermal properties. Exploition of the materials investigated in modern applications (sensors, micromechanical or optical devices) will be emphasised.
The work is mainly of experimental character and will be realized in the laboratories of the Department of Macromolecular Physics. X-ray scattering experiments will be carried using a new equipment in University of West Bohemia, Pilsen. Neutron scattering experiments will be performed by means of European Community's Framework Program in the Institute of E. Wigner in Budapest.