Swelling kinetic of hydrogels from methyl cellulose and poly(acrylamide)

Cinética de hinchamiento de hidrogeles a partir de metil celulosa y poli(acrilamida)

N. Martínez–Vázquez¹, R. del C. Antonio–Cruz¹, A. Álvarez–Castillo², A. M. Mendoza–Martinez¹ and A. B. Morales–Cepeda¹*

¹ División de Estudios de Posgrado e Investigación del Instituto Tecnológico de Ciudad Madero, Juventino Rosas and Jesús Urueta S/N Col. Los Mangos, Cd. Madero Tamaulipas, México. * Corresponding author: E–mail: abmoralesc@prodigy.net.mx Phone and fax: (833) 2 15 85 44

² Instituto Tecnológico de Zacatepec, Calzada Tecnológico 27, Zacatepec Morelos, México.

Received 17^th May 2007
Accepted 26^th October 2007

Abstract

The poly (acrylamide) (PAAm) and methyl cellulose (MC) hydrogels were prepared with a crosslinker using N, N'–methylene bisacrylamide (NNMBA) and glutaraldehyde (GA). In order to do this, it was necessary to modify the percentages of catalyst (potassium persulfate, KPS) and crosslinker (NNMBA) for poly (acrylamide). To evaluate their maximum degree of swelling and to determine the swelling kinetics, the quantity of fluids absorbed by films was measured at different temperatures (20, 30, and 40°C) and pH's (acidic, basic, and neutral). According to the results obtained from the experiment, the most suitable temperature and pH were 30°C and neutral, conditions under which the highest swelling values were obtained. In the kinetic study, during the first hours, a first order kinetic (Fick Model) was observed. The results were non–Fickian, revealing that the chain's diffusion and relaxation processes occur at the same time during the absorption of the solution. For longer periods of time, with the exception of a 40 °C temperature (where the first order kinetic was identified), a second order kinetic was observed (Schott Model), indicating that there is no polymeric chain relaxation, but rather, contraction and collapse of the material. The relaxations of the polymer chain were observed after swelling via SEM pictures.

Keywords: swelling kinetic, hydrogels, methyl cellulose, poly (acrylamide).

Resumen

Los hidrogeles de poli(acrilamida) (PAAm) y metil celulosa (MC) fueron preparados utilizando N, N–Metilenbisacrilamida (NNMBA) y glutaraldehído (GA). Para esto, fue necesario para modificar los porcentajes de catalizador (persulfato de potasio, KPS) y entrecruzante (NNMBA) para la poliacrilamida. Para evaluar el grado máximo de hinchamiento y determinar la cinética de hinchamiento, la cantidad de fluidos absorbidos por las películas fue medido a diferentes temperaturas (20, 30, y 40°C) y el pH (ácido, básico y neutro). De acuerdo a los resultados obtenidos de la experimentación, la temperatura y pH fue de 30°C y pH neutro, condiciones en las cuales el grado de hinchamiento fue el máximo. En los estudios cinéticos, durante las primeras horas se observa un modelo cinético de primer orden (Modelo de Fick). Los resultados fueron del tipo no–Fickiano revelando que el proceso presenta difusión y relajación de las cadenas al mismo tiempo que ocurre la absorción de la solución. Para periodos largos de tiempo, con excepción de 40°C (cinética de primer orden), el orden de la cinética fue de segundo orden (modelo de Schott), indicando que el polímero no sufre una relajación en la cadena, por el contrario presenta una contracción y colapso del material. La relajación de la cadena polimérica fue observado después del hinchamiento por SEM.

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Acknowledgment

Vazquez Martínez would like to thank the Consejo Nacional de Educación Tecnológica (CoSNET) for scholarship no. 402004319MP, and the Dirección General de Educación Superior Tecnológica (DGEST) for its support in carrying out the Project code UR612. Ana Beatriz Morales wishes to thank the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología for the support offered by scholarship No.contract 030274.

References

Brandon–Peppas, L., Harland, R. S. (eds). (1990). Absorbent Polymer Technology. Elsevier, Amsterdan–Oxford–New Cork–Tokio, 159–170.         [ Links ]

Chen J. and Park K. (2000). Synthesis of Fast–Swelling, of Superpores Sucrose Hydrogels. Reviews of Carbohydrate Polymers 41, 259–268.         [ Links ]

Escobar J. L., Agüero L., Zaldivar D., Katime I., Rodríguez E. and Ramírez E. (2001). Estudio de hinchamiento en y la evaluación preliminar de biocompatibilidad de hidrogeles de poli(acrilamida–co–ácidometacrílico. Revista Iberoamericana Polímeros 2 (2), 40–56.         [ Links ]

Frusawa H. and Hayakawa R. (1998). Swelling Mechanism Unique to Charged Gels: Primary Formulation of the Free Energy. Physical Review E58, 6145 – 6154.         [ Links ]

Grimshaw, P. E., Grodzinsky, A. J., Yarmush., M. L., Yarmush, A. M. (1990). Selective Augmentation of Macromolecular Transport in Gels by Electro–diffusion and Electrokinetics. Chemical Engineering Science 45, 2917–2929.         [ Links ]

Hirokawa Y. and Tanaka, T. (1984). Volume phase transition in a nonionic gel Microbial adhesion and Aggregation. Springer, Berlin Heidelberg, New York.         [ Links ]

Hirokawa, Y., Tanaka, T., y Matsuo, E. S. (1984). Volume Phase Transition in a Nonionic Gel. Chemical Physics 81, 6379.         [ Links ]

Katime I., Katime O., Katime D. (2004). Los materiales inteligentes de este milenio. Los hidrogeles macromoleculares: Síntesis, propiedades y aplicaciones. Ed. Universidad del País Vasco, 336.         [ Links ]

Khare, A. R. and Peppas, N. A. (1995). Swelling/Deswelling of Anionic Copolymer Gels. Biomaterials 16, 559–567.         [ Links ]

Murali Mohan Y., Keshava Murthy P. S., Sudhakar H., Vijaya Kumar N. B., Mohana R. K., Padmanabha R. M. (2006a). Swelling and Difussion Properties of Poly(acrylamide–co–maleic acid) Hydrogels: A Study with Different Crosslinking Agents. International Journals of Polymerican Materials 55(1) 123.         [ Links ]

Murali Mohan Y.; Sudhakar K.; Keshava Murthy P. S., Mohan Raju K. (2006b). Swelling Properties of Chemically Crosslinked Poly(acrylamide–co–maleic acid) Hydrogels. International Journal of Polymeric Materials 55(7), 513 – 536.         [ Links ]

Ohmine, I. and Tanaka, T. (1982). Salt Effects on the Phase Transitions of Polymer Gels. Journal of Chemical Physics 77, 5725–5729.         [ Links ]

Ortiz, L. E., Morales A. B., Antonio, R., Mendoza, A. M., Cruz, M. J. (2006). Síntesis y caracterización de hidrogeles obtenidos a partir de acrilamida y metilcelulosa. Revista Iberoamericana de Polímeros 7(4) 247–253.         [ Links ]

Park J.S., Park J.W., Ruckenstein E. (2001). Thermal and Dynamic Mechanical Analysis of PVA/CMC Blends Hydrogels. Journal Applied. Polymer Science 42, 4271–4280.         [ Links ]

Schott H. (1992). Swelling Kinetics of Polymers. Journal of Macromolecular Science Physics Part B 31(1), 1–9.         [ Links ]

Woerly S., Plant G., Harvey AR. (1996). Cultured Rat Neuronal and Glial Cells Entrapped within Hydrogel Polymer Matrices: a Potential Tool for Neural Tissue Replacement. Neuroscience Letter 205(3), 197– 201.         [ Links ]