Polyacrylamid

Anwendung von Polyacrylamid (PAM)

• Papierbeschichtungsschicht
• Hydrogel-Produktionslinie
• Flockungsmittel in der Wasser- und Abwasseraufbereitung
• Fällungsmittel in verschiedenen Branchen wie der Zuckerrohrindustrie, der aktiven Blumenreinigung sowie der Lebensmittel- und Getränkereinigung.
• Faktor, der die kinetische Energie bei Überschwemmungen steuert
• Ein Additiv zur Verbesserung der Fließfähigkeit von Öl in Ölquellen.
• Es unterstützt das hydraulische Aufbrechen, die Versauerung und andere Bergbauvorgänge.
• Kraftzunahme
• Beschichtung anderer Materialien als Papier und Textilien
• Einsatz im Bau- und Städtebau zur Bodenverfestigung
• Anwendung bei der Herstellung von Klebstoffen
• Reduzierte Erosion und verbesserte bodenphysikalische Eigenschaften
• Kunststoffe und Additive
• Bergbauindustrie zur Reinigung bestimmter Metalle wie Aluminium.

Chemischer und photochemischer Abbau von Polyacrylamid zur Trinkwasseraufbereitung

Chemischer und photochemischer Abbau von Polyacrylamid zur Trinkwasseraufbereitung, Piao Cheng University, Südflorida. Folgen Sie dieser und weiteren Arbeiten: Teil der US-Forschung. , „Chemischer und photolytischer Abbau von Polyacrylamiden zur Trinkwasseraufbereitung“ (2004). Verteidigung von Dissertationen und Abschlussarbeiten. Die Commons Graduate School of Scholarship bietet Ihnen diese Dissertation kostenlos an. Dissertationen und Abschlussarbeiten wurden von einem zugelassenen Scholar Commons-Administrator zur Aufnahme angenommen. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an

Chemischer und photochemischer Abbau von Polyacrylamid zur Trinkwasseraufbereitung

Autor Peiyao Cheng. Eine Dissertation, die zur teilweisen Erfüllung der Anforderungen für den Abschluss Master of Arts im Department für Umweltwissenschaften und -politik am College of Arts and Sciences der University of South Florida eingereicht wurde. Leitende Dozentin: Audrey D. Levine, Ph.D. Donald Duke, Ph.D. Abdul Malik, Doktor. Datum der Genehmigung: 12. November 2004 Schlüsselwörter: Polyelektrolyt, Acrylamidmonomer, Oxidation, Ultraviolettbestrahlung, Flockung. Copyright 2004, Piiyao Cheng.

4.2.1 Sintern des Polymers durch Oxidation von Chlor Oxidation des Polymers durch Oxidation von Permanganat

32 Ergebnisse und Diskussion der chemischen Zerstörung oxidierter Rückstände. UV-Spektrum/Absorption aller organischen Kohlenstoffrückstände. Anomale Acrylamid-Stickstoffrückstände 6. Referenzen 62 Anhang 67 Anhang A: Gesamtfeststofftest 68 Anhang B: Chlortest 70 Anhang C: Permanganattest 71 Anhang D: Acrylamidtest mittels GC-ECD 73 Anhang E: Sicherheitsdatenblatt 76 und Anhang F: Schema 89 ii

6 Tabellenverzeichnis Tabelle 2.1 Abbauwege von Polyacrylamid 8 Tabelle 2.2 Abbau von Polyacrylamid unter Einwirkung von Chlor oder Ozon 11 Tabelle 2.3 Faktoren, die die Sintereffizienz von Polymeren beeinflussen Stickstoffprüfung 28 Tabelle 3.4 Prüfung auf Acrylamidrückstände 29 Tabelle 4.1 Tabelle 4.2 Tabelle 4.3 Vergleich von Chlor // Reduzierter Permanganatrückstand nach der Reaktion mit drei PAM-Proben (N-3300 P und A-3333 P und C-3328 für C-435 h) Stickstoffgehalt von drei Clarifloc PAMs (N 3300 P, A-3333 P und C-3280) vor und nach KMnO 4 (4 mg/L und 6 mg/L) und Chloroxidation (10 mg/L und 15 mg/L) für 48 Stunden Vergleich der Flockungseffizienz von Polyacrylamid (PAM) PAM vorher und nachher. Oxidation mit freiem Chlor (10 mg/l) oder Kaliumpermanganat (4 mg/l) 55 ter

7 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1.1 Struktur von Polyacrylamid. (a) nichtionisches PAM; (b) Anionisches Polymer PAM. (c) Kationisches Copolymer aus ACM und DADMAC 2 Abbildung 2.1 Struktur von Acrylamid 6 Abbildung 2.2 Saure Rehydrolyse von Polyacrylamid 9 Abbildung 2.3 Alkalische Hydrolyse von Polyacrylamid 9 Abbildung 3.1 Schematische Darstellung von Acrylamid nach Oxidation Abbildung 21. 10 mg/l Clarifloc C-3280 (KMnO 4 Chlordosis bei 15 mg/l) 36 Abbildung 4.4 UV-Spektrum von Clarifluk N-3300 P (10 mg/l) 38 Abbildung 4.5 UV-Spektrum von Clarifloc A-3333P (10 mg/l) 39 Abbildung 4.6 UV-Spektrum von Clarifloc C-3280 (10 mg/l) 39 Abbildung 4.7 Abbildung 4.8 Abbildung 4.9 Änderungen der UV-Absorption (Violett bei 195 nm (gemessen) an 5 cm PAM-Proben). 10 mg/L) ändert sich bei Einwirkung von 2 mg/L KMnO4 40. UV-Absorption bei 195 nm (gemessen in einer 5-cm-Zelle) für PAM-Proben (10 mg/L). m) Bei Einwirkung von 5 mg/l freiem Chlor.

8 Abbildung 4.10 Abbildung 4.11 Abbildung 4.12 UV-Spektrum von Clarifloc C-3280 (10 mg/l) nach Zugabe von 5 mg/l Chlor für 30 Minuten. , A-3333P und C-3280) nach 5 Stunden Oxidation 44 Auswirkung der KMnO4-Dosierung auf den Gehalt an oxidiertem Kohlenstoff von drei PAMs (N 3300P, A-3333P und C-3280) nach 5 Stunden Oxidation 44 Abbildung 4.13 Restacrylamid bei 10 mg/l C-3280 (gewichtet mit 10 μg/l Acrylamidstandard) 45 Abbildung 4.14 Restacrylamid bei 10 mg/l C-3280 (als 10 μg/l Acrylamidstandard) nach Einwirkung von 15 mg/l Acrylamid für 30 Minuten 46 Abbildung 4.15 Restacrylamid bei 10 mg/l C-3280 (bestimmt mit 10 μg/l Acrylamidstandard) nach Einwirkung von 6 mg/l. KMnO 4 für 30 Minuten. 46 Abbildung 4.16 Abbildung 4.17. UV-Absorption bei 195 nm (gemessen in einer 5-cm-Küvette) von drei UV-belichteten PAMs. 50. Wirkung der UV-Strahlung auf den TOC-Gehalt von drei PAMs. 50. Vergleich von Restacrylamid bei 10 mg/l C-3280 unter verschiedenen Bedingungen (Bestrahlung mit UV-Strahlung, Chlor, Permanganat und deren Kombinationen). 52. Vergleich der Menge an Chlor, die während der Oxidation von drei PAMs (10 mg/l) mit nur freiem Chlor (15 mg/l) verbraucht wird. Die Mischung wird 30 Minuten lang UV-Strahlung ausgesetzt. Und in Kombination mit UV für 30 Minuten 54V.

Abbildung F-1 Abbildung F-2 Abbildung F-3 Abbildung F-4 Abbildung F-5 Abbildung F-6 Abbildung F-7 Abbildung F-8 Abbildung F-9 Abbildung F-10 Abbildung F-11 Abbildung F-12 Restreduktion von Permanganat bei Wechselwirkung mit 10 ppm PAM-Lösungen (KMnO 4 bei einer Dosis von 6 ppm) 89 Reduktion von Permanganatrückständen bei Wechselwirkung mit 10 ppm PAM-Lösungen (KMnO 4 bei einer Dosis von 4 ppm) 89 Reduktion von Permanganatrückständen nach wiederholter Reaktion mit 1 ppm (KMnO 4 bei einer Dosis von 2 ppm) 90

Reduzierung des Restchlors bei Reaktion mit einer PAM-Lösung von 10 ppm (Cl 2 bei einer Dosis von 10 ppm)

90 Reduzierung von Chlorrückständen mit 10 ppm PAM-Lösungen (Cl 2 ppm bei 95 Dosis) Chlorverbrauch in 30 Minuten für drei PAMs mit und ohne UV-Einwirkung (Cl 2 Dosis bei 5 ppm) 91 Vergleich des Chlorverbrauchs in 30 Minuten für drei PAMs mit und ohne UV-Einwirkung (Cl 2 bei 10 ppm) 92 Vergleich mit dem KMnO 4 -Verbrauch in 30 Minuten für drei PAMs mit und ohne UV-Einwirkung (KMnO 4 bei 2 ppm) 92 Vergleichendes Risiko für den KMnO 4 -Verbrauch in 30 Minuten für drei PAMs mit und ohne UV-Einwirkung (KMnO 4 bei 6 ppm) 93 Chromatogramm von Acrylamidrückständen bei 10 ppm C-3280 (AC-Standard 10 ppm (ppb)) nach UV-Bestrahlung 93 Chromatogramme von Acrylamidrückständen bei 10 ppm C-3280 (ACM-Standard 10 ppm) nach UV-Bestrahlung und 6 ppm KMnO 4 für 30 Minuten 94 Chromatogramme von Restacrylamid bei 10 ppm (10 ppm mit ACM3-Standard) nach UV-Bestrahlung und 15 ppm Chlor für 30 Minuten und 94 VI.

10 Liste der Abkürzungen Adam MeCl AWWA ACM CD CV DADMAC DBP EAD EPA Epi-DMA GC GH LD 50 MS MW MSDS NDMA NOM PAM PATA Py-GC Py-GC-MS SEC TOC UV WHO Ethanamin N,NN – (1-oxo – 2)-propenyl) Oxychlorid Acrylamid Kristallviolett Ladungsdichte Diallyl Dimethylammoniumchlorid Desinfektionsnebenprodukte Elektroneneinfangreagenz EPA Epichlorhydrin Dimethylamin Gaschromatat Dimethylamin Sicherheitsdatenblatt, Polyacrylamid, Polyacrylamid, Verdickungsmittel, Pyrolyse, Gaschromatographie, Pyrolyse, Gaschromatographie, Massenspektrometrie, Größenausschlusschromatographie, Weltgesundheitsorganisation, Ultraorganische Substanzen

Chemischer und photochemischer Abbau von Polyacrylamid zur Trinkwasseraufbereitung PEYAO CHENG

Kurzbeschreibung von Polyacrylamiden (PAM)

Es gibt eine Gruppe von Polymeren, die nur aus Acrylamid bestehen oder mit anderen Monomeren copolymerisiert sind. PAMs werden von allen Polymertypen in der Trinkwasseraufbereitung als Flockungsmittel oder Koagulanzien in der größten Menge eingesetzt. Bei der Trinkwasseraufbereitung wird Polyacrylamid häufig Oxidationsmitteln (wie Chlor und Permanganat) und ultravioletter Strahlung durch Sonnenlicht oder künstliche Quellen ausgesetzt. Ziel dieser Studie ist es, den potenziellen Abbau von PAM durch chemische Oxidation und/oder UV-Strahlung zu bewerten. Drei Arten von PAM-Produkten (nichtionisch, kationisch und anionisch) wurden während der Oxidation von freiem Chlor, Permanganat, UV-Strahlung und ihren kombinierten Wirkungen untersucht. Kationisches PAM erwies sich unter den drei untersuchten Polymerprobentypen als das instabilste Polymer, es wurde jedoch nur ein geringer Abbau beobachtet. Der Restacrylamidgehalt im positiven PAM C-3280 überschritt den US-Richtwert und die Einwirkung von Chlor oder Permanganat reduzierte den Acrylamidspiegel teilweise. UV-Strahlen zerstören nicht das gesamte Polymer

Acrylamidgehalt und Rückstände

, aber dies beschleunigte die durch Chemikalien verursachte Zerstörung. Die Einwirkung von Chlor oder Permanganat über eine Stunde führte bei jeder Polymerprobe zu einer Verringerung der Flockungseffizienz um 20–35 %. Eine kurzfristige Einwirkung (5 Min.) führte nicht zu einem Verlust der Flockungseigenschaften nichtionischer und anionischer PAMs. Bei kationischem PAM führte jedoch selbst eine kurzfristige Chloreinwirkung zu einer Verringerung der prozentualen Flockungseffizienz, was darauf hindeutet, dass kationisches PAM anfälliger für Oxidation ist. Neunte

Einführung in organische Polymere

Sie werden seit über 40 Jahren zur Reinigung von Trinkwasser eingesetzt. Im Jahr 1967 genehmigte der US-amerikanische Public Health Service das erste vollständig synthetische organische Polymer zur Trinkwasseraufbereitung (AWWA, 2001). Fünfzehn Jahre später schätzte man, dass mehr als die Hälfte der Wasseraufbereitungsanlagen in den Vereinigten Staaten ein oder mehrere Polymere zur Verbesserung der Filtrationseffizienz verwendeten (AWWA Coagulation and Filtration Committee, 1982). Obwohl die EPA Tausende von Polymerprodukten akzeptiert, geht man davon aus, dass die Zahl der mit diesen Produkten in Zusammenhang stehenden Verbindungen weniger als 20 beträgt, wobei der größte Anteil Polyacrylamidprodukte sind (Hanson et al., 1983; Mangravite, 1983). ). Polyacrylamide (PAMs) sind eine Familie von Polymeren und Copolymeren, die sich in Produktform, Ladungstyp, Ladungsdichte, Molekulargewicht und anderen Eigenschaften unterscheiden. Sie werden typischerweise nur mit Acrylamid (ACM) polymerisiert, um ein nichtionisches Polymer zu bilden, mit Acrylsäure oder Acrylsäuresalzen, um ein anionisches Polymer zu bilden, oder mit einem kationischen Monomer (wie DADMAC), um ein kationisches Polymer zu bilden. Anionische PAMs können auch durch alkalische Hydrolyse nichtionischer PAMs gewonnen werden. Die Struktur von PAM und einigen Copolymeren ist in Abbildung 1.1 dargestellt (angepasst von Bolto, 1995). 1

Polyacrylamidstruktur.

(a) nichtionisches PAM; (b) Anionisches Polymer PAM. (c) Kationisches Copolymer aus ACM und DADMAC (adaptiert von Bolto, 1995). PAMs werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, beispielsweise zur Koagulation/Flockung von Trinkwasser und Abwasser, zur Bodenverbesserung, in der Landwirtschaft, bei der Ölförderung und in biomedizinischen Anwendungen. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der Anwendung bei der Trinkwasseraufbereitung. Bei der Trinkwasseraufbereitung wird PAM typischerweise während der Koagulation oder Flockung hinzugefügt, um Feststoffe und natürliche organische Stoffe (NOM) zu destabilisieren und die Entfernung durch Sedimentation oder Filtration zu erleichtern. Kationische PAMs werden häufig als primäre Koagulanzien verwendet, um die Koagulation und Sedimentation (oder Filtration) negativ geladener Partikel in natürlichen Gewässern um 2 zu verbessern.

Absorption und Neutralisierung von Oberflächenladung

(Letterman und Perot, 1990). Nichtionische und anionische PAMs haben typischerweise ein höheres Molekulargewicht (oder eine längere Kette) als kationische PAMs. Sie werden häufig nach der Koagulation hinzugefügt, um positiv geladene Moleküle durch einen Mechanismus namens Polymerbrückenbildung zu größeren Agglomeraten zu verbinden. Neben organischen Elektrolyten werden bei der Trinkwasseraufbereitung auch verschiedene Chemikalien eingesetzt, darunter Oxidationsmittel (wie Chlor, Ozon, Permanganat und Chlordioxid), Kalk, Metallkoagulantien, Fluorid und Korrosionsinhibitoren. Bei der Oberflächenwasseraufbereitung werden vor der Koagulation häufig Oxidationsmittel zugesetzt (sogenannte Voroxidation), um Metalle sowie geschmacks- und geruchsrelevante Verbindungen zu reduzieren (Levine et al., 2004). Es besteht die Sorge, dass Restoxidantien mit organischen Polyelektrolyten reagieren könnten, die zur Koagulation/Flockung hinzugefügt wurden. Diese Reaktionen könnten die Polymerleistung beeinträchtigen und zur Bildung von Vorläufern von Desinfektionsnebenprodukten (DBP) führen (Levine et al., 2004). . In den meisten Fällen werden nach der Wasseraufbereitung Oxidationsmittel zugesetzt, um das Wasser zu desinfizieren. Um das Bakterienwachstum in Verteilungssystemen zu kontrollieren, verbleibt im aufbereiteten Wasser typischerweise ein Oxidationsmittelrückstand. Wenn in der Wasserversorgung Restpolymere vorhanden sind, kann es zu Reaktionen mit Restoxidantien kommen, die zur Bildung einiger toxischer Substanzen (z. B. Acrylamidmonomer) oder Desinfektionsnebenprodukten führen können. 3

Ziel dieser Studie war es, Veränderungen von Polyacrylamid und Acrylamidmonomeren während der Wasseraufbereitung zu bewerten.

Die Ergebnisse dieser Studie könnten wissenschaftliche Daten liefern, die bei der Beurteilung der Wirksamkeit der aktuellen Richtlinien im Zusammenhang mit der Verwendung von Polyacrylamid hilfreich sein können. Die spezifischen Ziele dieser Studie sind: 1) Bewertung des durch Chlor und Permanganat verursachten chemischen Abbaus von Polyacrylamid basierend auf der Rückgewinnung von Restoxidantien und möglichen Veränderungen in Polyacrylamid (TOC, UV-Spektrum/Absorption) und seinen Verunreinigungen (Acrylamid). Rest). und restlicher anorganischer Stickstoff); 2) Photoabbau von Polyacrylamid unter dem Einfluss von künstlichem Sonnenlicht mit UV-Spektrum basierend auf der Veränderung des gesamten organischen Kohlenstoffs, der UV-Absorption und der Acrylamidrückstände und zur Bewertung der Wirkung von UV-Strahlung auf die Oxidation von Chlor-/Permanganat-PAMs. 3) Bewertung des Einflusses von Oxidationsmitteln (Chlor und Permanganat) auf die Effizienz der Polyacrylamid-Flockung basierend auf der Sedimentationsrate der Kaolinsuspension. 4) Bereitstellung von Vorschlägen für die Auswahl und Verwendung von Polymeren bei der Trinkwasseraufbereitung. 4

Hintergrund In diesem Kapitel werden die Eigenschaften von Acrylamid und seinen Polymeren erörtert.

Dieses Kapitel bietet einen Überblick über frühere Studien zum photolytischen und chemischen Abbau von Polymeren, zu Eigenschaftsänderungen im Zusammenhang mit dem Polymerabbau sowie zur chemischen Analyse von Polyacrylamidmonomeren (PAM) und Acrylamid (ACM). Der letzte Abschnitt befasst sich mit den aktuellen Vorschriften zu PAM-Produkten. 1. Acrylamid und Polyacrylamid Acrylamid ist das Hauptmonomer von Polyacrylamid. Allerdings haben Acrylamid und Polyacrylamid völlig unterschiedliche Eigenschaften. In diesem Abschnitt werden die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften von Acrylamid und Polyacrylamid vorgestellt, die für das Verständnis des Abbaus von Polyacrylamid und seinen Monomeren sehr wichtig sind. 1.1 Acrylamid Acrylamid ist ein weißer, geruchloser, kristalliner Feststoff, der in Wasser und anderen polaren Lösungsmitteln wie Aceton und Acetonitril löslich ist. Es enthält zwei funktionelle Hauptgruppen: eine Amidgruppe und eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung (Abb. 2.1) (Caufield et al., 2002). Aufgrund der elektronenarmen Doppelbindung ist Acrylamid anfällig für eine Vielzahl von Reaktionen wie nukleophile Addition, Diels-Alder-Reaktionen und Radikalreaktionen (MacWilliams, 1973). CH 2 CH CO NH 2 Abbildung 2.1 Struktur von Acrylamid (angepasst von Caufield et al., 2002) Acrylamid kann hochgiftig sein.

Es wird durch perkutane Einnahme und Inhalation leicht absorbiert und verteilt sich dann weiträumig in den Körperflüssigkeiten.

(Weltgesundheitsorganisation, 1996). Die orale LD50 (letale Dosis für die Hälfte der Bevölkerung) beträgt 100 mg/kg Körpergewicht für Ratten und 100 mg/kg Körpergewicht für Ratten (Leiterman und Biro, 1990). Die LD50 für die transdermale Verabreichung bei Ratten beträgt 400 mg/kg Körpergewicht (WHO, 1996). Acrylamid ist außerdem ein kumulatives Neurotoxin, das bei chronischer oraler Exposition bei Menschen und Tieren Nervenschäden verursachen kann, die Auswirkungen wie Taubheit und Schwäche in Armen und Beinen hervorrufen (US EPA, 1999). In Studien an Menschen und Mäusen wurde auch über Krebsrisiken berichtet. Aus diesem Grund stufte die US-Umweltschutzbehörde EPA Acrylamid als Substanz B2 ein, ein wahrscheinliches Karzinogen für den Menschen (US EPA, 1984 und 1993). 1.2 Polyacrylamid Polyacrylamid wird durch freie radiale Polymerisation von Acrylamid unter Verwendung verschiedener Initiierungssysteme (wie Peroxide, Peroxide, Redox- und photochemische Paare) in wässrigen Lösungen oder Dispersionen gewonnen.

Die physikalischen Eigenschaften der einzelnen Polyacrylamidprodukte sind in der Regel unterschiedlich.

PAM kann beispielsweise in fester Form, als Emulsion oder als Lösung vorliegen und das Molekulargewicht kann zwischen Tausenden und mehreren Millionen Dalton liegen. Polyacrylamid ist für Menschen, Tiere, Fische und Pflanzen relativ ungiftig (Seybold, 1994; Weltgesundheitsorganisation, 1985). Die orale LD50 liegt bei Ratten über 5000 mg/kg Körpergewicht und bei Fischen über 100 mg/kg (Sicherheitsdatenblatt im Anhang E). Während bei der Acrylamidreaktion aufgrund der Doppelbindung ein Elektron fehlt, ist Polyacrylamid aufgrund der Abwesenheit einer Doppelbindung, die während des Polymerisationsprozesses entfernt wird, relativ inert (MacWilliams, 1973). Allerdings unterliegt Polyacrylamid je nach Art des Polymers, den vorhandenen Verunreinigungen und den Bedingungen, denen es ausgesetzt ist, unterschiedlichen Abbauprozessen. Beispielsweise kann die Amidgruppe in Polyacrylamid einer Hydrolyse und Dehydratation unterliegen (Caulfield et al., 2002). Im Allgemeinen sind Zersetzungsreaktionen irreversibel und verändern die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Polymers. Auch Abbauprodukte geben Anlass zur Sorge, da sie durch die Freisetzung von Acrylamidmonomeren oder durch die Bildung von Desinfektionsnebenprodukten (z. B. Trihalogenmethan) infolge der Chlorierung zur Toxizität beitragen können. 2. Zersetzung von Polyacrylamid Es gibt fünf Hauptabbauwege für Polyacrylamid: thermische Zersetzung, Photozersetzung, biologische, chemische und mechanische Zersetzung.

Der Mechanismus dieser Abbauwege wurde von Caulfield et al. untersucht.

(2002) und sind in Tabelle 2.1 zusammengefasst. Der chemische und photochemische Abbau steht im Mittelpunkt dieser Dissertation und wird hier diskutiert. Tabelle 2.1 Wege des Polyacrylamidabbaus (Caufield et al., 2002). C bis 300 °C: irreversible Reaktion der Amid-Funktionsgruppe, Zugabe von O2 unter UV-Bestrahlung (Photooxidation), Hydrolyse von Basen unter hoher Scherung, direkte mechanische Belastung, Rühren) > 300 °C: chemische Zersetzung des freien Amids, Kettenspaltung, zufällig bindungsbrechendes Basenradikal (z. B. H2O2, K2S2O8) 2.1 Chemische Zersetzung vieler Acrylamide Bei der Wasserreinigung mit Polyacrylamid (PAM) können verschiedene Chemikalien, einschließlich Oxidationsmittel (wie Chlor, Chloramin und Ozon), parallel zu den Polyelektrolyten verwendet werden. Permanganat, Peroxid), Koagulantien (wie Alaun, Eisensulfat), pH-regulierende Chemikalien (wie Kalk, Ätznatron, Soda, Schwefelsäure), Fluoride und Korrosionsinhibitoren. Diese Chemikalien, insbesondere Oxidationsmittel, können mit dem verbleibenden Polyelektrolyt im Wasser reagieren und zu dessen Zersetzung führen. Der pH-Wert 8 beeinflusst auch die Geschwindigkeit und das Ausmaß des Polymerabbaus (Soponkanaporn und Gehr, 1989). Unter sauren oder basischen Bedingungen neigen Polyacrylamide zur Hydrolyse.

Säurehydrolysereaktion

Dabei wird einem protonierten nukleophilen Amid Wasser zugesetzt und anschließend NH 3 entfernt. Um einen Acrylsäurerest zu bilden, wird das Proton dann durch NH2 aus dem Acrylsäurerest entfernt, um das stabilere Carboxylanion und Ammoniak zu bilden (Caulfield). et al., 2002). Man geht davon aus, dass sich während der Säure- oder Basenhydrolyse nur die Amidgruppe von PAM verändert und kein Verlust des Molekulargewichts beobachtet wird. Abbildung 2.2 Saure Hydrolyse von Polyacrylamid (adaptiert von Caulfield et al., 2002) Abbildung 2.3 Alkalische Hydrolyse von Polyacrylamid (adaptiert von Caulfield et al., 2002) 9

22 Der durch Chlor und Ozon verursachte Abbau von Polyacrylamid wurde ausführlich untersucht. Ein Vergleich der Forschungsergebnisse ist in Tabelle 2.2 dargestellt. Soponkanaporn und Gehr (1987) verwendeten Größenausschlusschromatographie, um den Abbau von kationischem Polyacrylamid durch Ozon zu untersuchen. Es wurde berichtet, dass das Molekulargewicht der Polymere nach 10-minütiger Ozoneinwirkung von etwa 6 Millionen auf weniger als 1 Million abnahm. Der Abbau von kationischem PAM (1–100 mg/l) wurde unter dem Einfluss von Chlor (20 mg/l) und Ozon (3 mg/l) bei pH-Werten zwischen 3 und 9 untersucht (Gehr und Soponkanaporn, 1990). ). In allen Experimenten wurde bidestilliertes Wasser verwendet. Die Oxidation von Polyacrylamid (PAM), Chlor und Ozon führte zu einer Verringerung des Molekulargewichts des Polymers ohne nennenswerten Verlust an organischem Kohlenstoff (TOC) und Stickstoff (TN). Dieser Befund wurde von Levin et al. bestätigt. (2004) untersuchten den Abbau von zwei Polyacrylamiden und fanden heraus, dass Chlor den geringsten Effekt auf den gesamten organischen Kohlenstoff hatte. Die Bildung toxischer Nebenprodukte (wie Acrylamid und Chloroform) während des Polymerabbaus ist zu einem weiteren, aber wichtigen Problem geworden. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Zersetzung von PAM durch Chlor und Ozon keine Acrylamidmonomere entstehen. Tatsächlich führte die Oxidation zu einer Verringerung der Konzentration von Restacrylamid (Ger und Soponkanaporn, 1990). Das Ergebnis steht im Einklang mit den Ergebnissen von Mallevialle et al. 10

Acrylamid-Ozon

Acrylamid in anionischem PAM wurde unabhängig untersucht. Acrylamidmonomere wurden schnell entfernt, mit einem Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten erster Ordnung von –0,14/min. Während der Chlorierung wurde die Bildung von Chloroform festgestellt und seine Konzentration nahm mit zunehmender Elektrolytkonzentration und Inkubationszeit zu (Gehr und Soponkanaporn, 1990). Eine weitere Studie zur Bildung von Chloroform aus kationischem PAM zeigte, dass die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Polymerreaktion mit steigendem pH-Wert und steigender Temperatur zunahmen (Gehr und Soponkanaporn, 1989). N-Nitrosodimethylamin (NDMA) ist ein bekanntes Karzinogen bei Tieren mit einer oralen LD von 58 mg/kg bei Ratten (NDMA-Sicherheitsdatenblatt, 2004). Es wurde berichtet, dass die Alterung der Epi-DMA (Epichlorhydrindimethylamin)-Stammlösung über einen Zeitraum von 5 Stunden zu einer erhöhten NDMA-Produktion führt (Kohut und Andrews, 2003). 2.2 Photoabbau von Polyacrylamid Der Photoabbau von Polyacrylamid gilt als ein radikalischer Prozess, der zur Spaltung des Polymerrückgrats (Kettentrennung), Vernetzung, Einführung neuer funktioneller Gruppen und Bildung von Produkten mit hohem Molekulargewicht führen kann. Reddy et al., 1994; Caulfield et al., 2002). Caulfield et al. (2003) untersuchten die Stabilität von linearem Polyacrylamid unter Erhitzungs- und Strahlungsbedingungen. PAMs erwiesen sich unter Leuchtstofflampen als stabil und emittierten keine nennenswerten Mengen an 12

Acrylamidoberfläche bei 95 °C, obwohl die hydrothermale Zersetzung eine Hydrolyse der Amidgruppen der Seitenkette zu Säuregruppen zeigt.

Bei UV-Bestrahlung mit 254 nm wurden geringe Mengen Acrylamid (typischerweise weniger als 50 ppm Monomer-Wiederholungseinheiten im Polymer) freigesetzt und eine Abnahme der Viskosität beobachtet. Man kam zu dem Schluss, dass die Freisetzung von Acrylamid eher auf eine Kettenablösung als auf eine Dekompression der Polymerkette zurückzuführen war. Smith et al. (1996, 1997) untersuchten den Abbau eines Polyacrylamid-Verdickungsmittels (PATA), das ohne das Herbizid Glyphosat (GH) formuliert war, in Proben von deionisiertem destilliertem Wasser, Oberflächenwasser und Grundwasser. Unter kontrollierten Labortemperaturen (4, 25 und 37 °C), Beleuchtungsbedingungen (Wellenlängen von 300 bis 700 nm) und an der frischen Luft wurde festgestellt, dass die Anwesenheit von GH, Acrylamid und/oder Polyacrylamid vor dem Abbau schützt. Es verlangsamt oder verursacht den Abbau von Polyacrylamid. Sie schlugen vor, dass GH bei Acrylamid als Chromophor wirken könnte, indem es Licht absorbiert und Energie auf das Polyacrylamid überträgt, wodurch die C-C-Bindungen im Polymer aufgebrochen werden. Ihre Ergebnisse wurden jedoch von anderen Forschern in Frage gestellt. Vers (1999) führte Experimente unter ähnlichen Zersetzungsbedingungen durch, kam jedoch zu anderen Ergebnissen als Smith. Wiers kam zu dem Schluss, dass Polyacrylamid in Gegenwart von Sonnenlicht, dem Herbizid Glyphosat oder einer Kombination aus beiden nicht in Acrylamidmonomere zerfallen kann. Er erwähnte 13 Fälle.

26 Mängel der von Smith et al. verwendeten Methoden.

Bei der Analyse von Acrylamid beispielsweise kann die schlechte Auflösung zwischen Acrylamidmonomer und Acrylsäure zu fehlerhaften Ergebnissen führen.

Kay Shoemaker et al. (1998) stellten auch die Zuverlässigkeit der früheren Ergebnisse von Smith et al. in Frage. (1996 und 1997) über die Fähigkeit von Polyacrylamid, zu Monomer abgebaut zu werden. Ihre Studie zeigte, dass die ultraviolette Bestrahlung von anionischem Polyacrylamid mit hohem Molekulargewicht zu einer Verringerung des Molekulargewichts des Polymers führte. Es gab jedoch keine Hinweise auf Acrylamid, da UV-behandeltes PAM kein Bakterienwachstum unterstützen konnte (Acrylamidmonomer kann als einzige Kohlenstoffquelle für Bakterienwachstum dienen). Ihre Ergebnisse zeigen, dass beim Abbau von Polyacrylamid durch UV-Strahlung kein Acrylamid entsteht. Auch die Ergebnisse von Smith et al. wurden angefochten. (1996 und 1997) andere Forscher: Bologna et al. (1999) zeigten, dass die beobachtete Acrylamidkonzentration viel höher gewesen wäre als von Smith et al. behauptet, wenn tatsächlich eine Polymerisation stattgefunden hätte. (1996, 1997). Es wurde auch vermutet, dass die Rekonstruktion der Doppelbindung in Acrylamid aus PAM thermodynamisch unmöglich sei. So ist es allgemein anerkannt, dass UV-Bestrahlung zu einer Verringerung des Molekulargewichts von Polyacrylamid führen kann, jedoch besteht weiterhin Kontroversen über die Möglichkeit der Zersetzung von Polyacrylamid in Acrylamidmonomere, die näher erläutert werden sollten. 14

27 3. Flockungseffizienz Die Effizienz eines Flockungsmittels kann anhand der Absetzgeschwindigkeit von Polyacrylamid (PAM), der Klarheit, der Sedimentgröße oder des Flockungsmittelverbrauchs beurteilt werden, die durch ein komplexes Zusammenspiel einer Reihe von Faktoren beeinflusst werden, die in Tabelle 2.3 zusammengefasst sind. Tabelle 2.3 Faktoren, die die Effizienz des Polymersinterns beeinflussen (Adaptiert von Owen et al., 2002; Farrow und Swift, 1996) Ladungsdichte, Flockengewicht, Funktionsform des dynamischen Aspekts der Mischkraft und -dauer. Eine Reihe von Autoren hat die Beziehung zwischen Sinterleistung und physikalischen Eigenschaften von Polyelektrolyten untersucht, insbesondere Molekulargewicht und Ladungsdichte. Für kationisches PAM wurde die Ladungsneutralisation als vorherrschender Sintermechanismus vorgeschlagen, was bedeutet, dass eine Erhöhung der Ladungsdichte des kationischen Polymers zu einer verbesserten Sinterleistung führt (Tiravanti et al., 1985; Mabire et al., 1983). Ihre Ergebnisse wurden jedoch von anderen Forschern in Frage gestellt: Smith-Palmer et al. (1994) untersuchten die Flockungseffizienz einer Reihe kationischer PAMs anhand der Sinkgeschwindigkeiten von Kaolin. Sie war 15 Jahre alt

Es wurde festgestellt, dass die Sedimentationsrate umgekehrt proportional zur Ladungsdichte ist, was darauf hindeutet, dass die Brücke eine wichtige Rolle im Flockungsmechanismus spielen könnte.

Dieses Ergebnis wurde von Gill und Harrington (1986) unterstützt, die zu dem Schluss kamen, dass die Ladungsdichte kein begrenzender Faktor sei, dass die Brückenbildung der dominierende Mechanismus sei und dass Unterschiede in den Abscheidungsraten auf kleine Unterschiede im Molekulargewicht zurückzuführen sein müssten. Ein weiterer diskutierter Faktor ist die Alterung von PAM-Lösungen (normalerweise über Wochen oder Monate). Shiluk und Stowe (1969) stellten fest, dass die Abnahme der Viskosität einer Polyacrylamidlösung im Laufe der Zeit als ein zweistufiger Prozess beschrieben werden kann: zunächst eine schnelle Abnahme (etwa 15 Tage), gefolgt von einer langsamen und stetigen Abnahme. Sie berichteten auch, dass die Alterung die Fähigkeit des Polymers, Kaolinsuspension auszuflocken, verringerte. Erklärungen für den Mechanismus des Alterungsprozesses beziehen sich auf den Polymerabbau (Gardner et al., 1978), strukturelle Veränderungen (Klein und Westerkamp, ​​​​1981; Kulicke und Nieske, 1981) und das Vorhandensein von Mikroorganismen oder freien Radikalen (Haas). und McDonald). , 1972). Es liegen nur begrenzte Daten zur Auswirkung von Oxidationsmitteln auf die Flockungseffizienz von PAM vor. Ger und Soponkanaporn (1990) berichteten, dass Chlor die Flockungseffizienz von kationischem PAM während einer 10-minütigen Einwirkung leicht verringerte, während Ozon die wirksame Polymerkonzentration in den ersten paar Minuten signifikant verringerte, danach blieb die Konzentration konstant. 16

Die Wirkung von Chlor, Permanganat, ultravioletter Strahlung und deren Kombinationen auf die Flockungseffizienz von nichtionischem Polyacrylamid (PAM) wurde anhand des endgültigen Wassertrübungstests und der Filtrationszeit untersucht.

Berichten zufolge führt eine UV-Bestrahlung zu keiner nennenswerten Veränderung der Trübung, doch Chlor, Permanganat und Chlor, die UV-Strahlung ausgesetzt werden, führen zu einer Leistungsminderung, gemessen an der Resttrübung. Allerdings ergaben Filtrationstests, dass die Einwirkung von UV-Licht und/oder Chlor bzw. Permanganat zu einer verbesserten Schlammfiltration führte. Dies lässt darauf schließen, dass das Sintern des Polymers zur Bildung größerer Partikel führen kann, was wiederum zu Verschmutzung und verringertem Luftwiderstand führt. . gegen die Strömung durch das Gerät. Poröser Filter 4. Chemische Analysen sind wichtig, um das endgültige Schicksal der bei der Wasseraufbereitung verwendeten Polymere zu bestimmen. Zur Überwachung von Polymerrückständen im Wasser wurden zahlreiche Methoden untersucht. Eine Methode ist die Titration von Kolloiden mit entgegengesetzt geladenen Elektrolyten unter Verwendung von Farbstoffen (Wang und Schuster, 1975; Parazak et al., 1987) oder fluoreszierenden Verbindungen (Tanaka und Sakamoto, 1993) als Indikatoren. Allerdings ist diese Methode nicht besonders empfindlich: Die Nachweisgrenzen liegen im Bereich von 0,5 bis 1 mg/L. Eine Variante dieser Methode für kationische Flockungsmittel besteht in der Messung der optischen Dichte bei 680 nm nach schrittweiser Zugabe einer Standardlösung der an Polymer 17 gebundenen o,o-Dihydroxyazoverbindung.

30 (Kerry et al., 1986). Masada (2003) berichtete auch über eine ähnliche Methode, bei der Kristallviolett (CV) als Indikator verwendet und die Änderung der Absorption bei 590 nm mit einem herkömmlichen Spektrophotometer gemessen wurde. Eine andere ähnliche Methode besteht darin, die Trübung durch Zugabe von Gerbsäure zu kontrollieren, um das Polymer auszufällen (Attia und Rubio, 1975). Es wurden auch andere Methoden zur Charakterisierung synthetischer Polyelektrolyte entwickelt. Goppers und Straub (1976) verwendeten Dünnschichtchromatographie, um das Polymer vom restlichen, an kationisches Polyacrylamid gebundenen Monomer zu unterscheiden. Zur Bestimmung des Molekulargewichts und der Molekulargewichtsverteilung der Polymere wurde die Polyacrylamid-Größenausschlusschromatographie (SEC) verwendet. Zur Bestimmung geringer Mengen an teilweise hydrolysiertem anionischem Polyacrylamid (Belzley, 1985), restlichem nichtionischem Polyacrylamid in Alaunschlamm (Keenan et al., 1998) und kationischem Polyacrylamid mit hohem Molekulargewicht (Soponkanaporn, 1991, 178). . Die Gelelektrophorese wurde auch als Mittel zur Bestimmung der Molekulargewichtsverteilung langkettiger synthetischer Polyelektrolyte verwendet (Smisek und Hoagland, 1990). Die Gelelektrophorese soll den Vorteil einer höheren Auflösung und eines viel größeren Molekulargewichtsbereichs als die wässrige SEC haben, wobei die obere Kettengrößengrenze das Molekulargewicht jedes kommerziell wichtigen synthetischen Polymers deutlich übersteigt. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass sie nur für geladene Polymere verwendet werden kann, während EC auch auf nichtionische Polymere angewendet werden kann. 18

Pyrolyse-Gaschromatographie (Py-GC)

Die Gaschromatographie-Pyrolyse-Massenspektrometrie (Py-GC-MS) ist seit über 30 Jahren eine wichtige Methode zur qualitativen und quantitativen Identifizierung synthetischer Polymere. Neben der Identifizierung von Verbindungen wird die Pyrolyse auch verwendet, um die Struktur von Copolymeren aufzuklären und die Muster von Homopolymeren zu untersuchen (Wang, 1999). Schwarz et al. (1966) verwendeten Py-GC-MS nach SEC-Trennung, um ein Copolymer aus Acrylamid und Natriumacrylat mit hohem Molekulargewicht und niedriger Ladungsdichte (CD) zu analysieren.

Auch die Analyse von Polymerverunreinigungen wie Acrylamidrückständen ist sehr wichtig.

Zu den derzeit zur Analyse von Acrylamidrückständen verwendeten Methoden gehören die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie mit UV-Detektion (Vers, 1999), die Gaschromatographie mit anschließender Elektronendesorptionsdetektion (ECD) (Bologna et al., 1999) oder die Massenspektrometrie. (MS) ist (O). et al., 2003). 5. Regeln für die Verwendung von Polyacrylamid. Derzeit sind verschiedene polyelektrische Konverter erhältlich und das Vorhandensein nicht umgesetzter Monomere ist besorgniserregend, insbesondere Acrylamid- und Epichlorhydrinmonomere, die für Menschen und Tiere giftig sind. Aus diesem Grund ist in der Schweiz und Japan die Verwendung von Polyelektrolyten, einschließlich Polyacrylamid, bei der Trinkwasseraufbereitung nicht gestattet (Letterman und Bro, 1990). Andere Länder, wie etwa die USA und Großbritannien, haben Grenzwerte für die Konzentration und Dosis von Schadstoffen festgelegt. 19

Wenn in den Vereinigten Staaten PAM-Produkte zur Aufbereitung von Trinkwasser verwendet werden,

Die Monomerzusammensetzung und -dosierung darf 0,05 % (bezogen auf das Gewicht des aktiven Polymers) Acrylamidmonomer bei einer Dosis von 1 ppm (40 CFR) nicht überschreiten, was einer maximalen theoretischen Konzentration von 0,5 Mikrogramm pro Liter Monomer in Wasser entspricht. Im Vergleich zu den USA gelten in Großbritannien strengere Vorschriften: Keine Einheit darf mehr als 0,02 % freies Acrylamidmonomer, bezogen auf den Wirkstoffgehalt, enthalten und die Dosis darf durchschnittlich 0,25 ppm nicht überschreiten. 0,50 ppm Wirkstoff dürfen nicht überschritten werden. Komponenten (BS EN 1407:1998 und BS EN 1410:1998). Allerdings beziehen sich diese Vorschriften nur auf die Qualität der Produkte selbst und nicht auf die Qualität des fertigen Wassers. Wenn Polyacrylamid (PAM) in das Trinkwassersystem gelangt, können PAM und Monomere verschiedene Reaktionen durchlaufen (wie in den vorherigen Abschnitten beschrieben), die zu einer Erhöhung oder Verringerung der Acrylamidrückstände führen können. Keine dieser Regeln berücksichtigt mögliche Reständerungen des ASM in Wasseraufbereitungs- und -verteilungssystemen. Darüber hinaus gibt es keine wissenschaftlichen Empfehlungen zur Auswahl von Polymerprodukten zur Wasserreinigung. Polyelektrolytprodukte werden häufig empirisch auf der Grundlage von Leistung und Kosten im Maßstab ausgewählt, und ein potenzieller Polymerabbau während der Reinigung und Verteilung wird normalerweise nicht berücksichtigt. Daher ist es notwendig, den Abbau von Polymeren im Wasseraufbereitungssystem zu bewerten, was bei der Auswahl und Verwendung von Polymerprodukten bei der Trinkwasseraufbereitung hilft. 20

33 Methoden und Materialien In diesem Kapitel werden die in dieser Studie verwendeten experimentellen Methoden beschrieben. Dieses Kapitel besteht aus drei Hauptabschnitten: chemische Analyse von PAM, UV-Analyse von PAM und Prüfung der Sintereffizienz. Die kombinierten Auswirkungen von UV-Strahlung und chemischen Oxidationsmitteln auf Acrylamidrückstände und Oxidationsmittelrückstände wurden ebenfalls bewertet und sind in den ersten beiden Abschnitten enthalten. Die schematische Darstellung des gesamten Versuchsaufbaus ist in Abbildung 3.1 dargestellt. Chemischer Abbau von PAM Chemischer Abbau (Oxidationsmittel) durch UV in Kombination mit Restoxidationsmittel TOC, ACM UV-Spektrum Sintereigenschaften von anorganischem Reststickstoff Abbildung 3.1 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus 1. Für diese Studie wurden drei Polyacrylamid-Polyacrylamid-Produkte ausgewählt.

Polyacrylamid (PAM)-Forschung

Einige Polymereigenschaften wie Polymermarke, Form, Molekulargewicht, Ladungstyp, Ladungsdichte und Hauptbestandteile werden vom Hersteller bereitgestellt und sind in Tabelle 3.1 aufgeführt. Die drei ausgewählten Polymere lagen aufgrund des höheren Gehalts an aktivem Polymer im Vergleich zu den Emulsions- oder Lösungsformen in Pulverform vor. Auch andere Eigenschaften dieser drei Polymere unterscheiden sich voneinander. Beispielsweise hat das Anion A-3333P das höchste Molekulargewicht (MW) von einer Million Dalton und das Kation C-3280 das niedrigste MW (4–6 Millionen Dalton). Die drei ausgewählten Polymere repräsentieren hinsichtlich Ladung und Komponenten drei PAM-Typen. Vor den Versuchen wurden 0,1 %ige (bezogen auf die Trockenmasse) Polymerlösungen hergestellt. In dieser Studie wurde nanoreines Wasser aus einem Millipore-Laborwasseraufbereitungssystem als Wassermatrix verwendet. Vor der Herstellung der Stammlösungen wurde der Gesamtfeststoffgehalt der drei Polymere bestimmt, indem eine bestimmte Menge Polymer (z. B. 0,5 g) 3 Stunden lang in einem Ofen bei 105–110 °C getrocknet und der Gewichtsunterschied vor und nach dem Trocknen gemessen wurde (Anhang A). ). Die Polymere wurden dann unter Rühren in warmem Wasser (25–35 °C) gelöst, um 0,1 %ige wässrige Lösungen basierend auf den Gesamtfeststoffen zu bilden (z. B. werden für 90 % Gesamtfeststoffe 1,11 g Polymer in 1 l Wasser gelöst). Für weitere Versuche wurden aus 0,1%igen Lösungen Polymerlösungen mit einer Konzentration von 10 mg/l hergestellt. Obwohl in Abwasseraufbereitungsanlagen üblicherweise geringe Konzentrationen von PAM (typischerweise < 1 mg/l) verwendet werden, wurde für die meisten Experimente dieser Studie aufgrund der geringen Empfindlichkeit der Analysemethoden eine Konzentration von 10 mg/l gewählt. 22

35 Tabelle 3.1 Polymereigenschaften (Polydyne Inc., 2004) Polymermarke Clarifloc N-3300 P Clarifloc A-3333 P Clarifloc C-3280 Polymerform weißes Pulver weißes Pulver Molekulargewicht weißes Pulver weißes Pulver Molekulargewicht, Typ Dalton Mol. Ladung 8 %, ~10 Millionen neutral 0 12 ~ 16 Millionen anionisch 30 % 4 ~ 6 Millionen kationisch 55 % Hauptbestandteil Acrylamid, Homopolymer aus Acrylamid und Natriumacrylat, Copolymer aus Acrylamid und Adam-Meckel-Copolymer* *Adam Meckel: Ethanamin N, N -2- Nt 1-Oxo-2-propenyl) oxy, chlorid. 2. Chemische Oxidation von Polyacrylamid. In dieser Studie wurden zwei Arten chemischer Oxidationsmittel verwendet: freies Chlor und Kaliumpermanganat. Der Abbau von PAM-Produkten wurde anhand mehrerer Tests beurteilt, darunter Oxidationsrückstände, UV-Spektrum/Absorption, Gesamtkohlenstoff (TOC), Acrylamidrückstände und anorganische Stickstoffrückstände. Veränderungen der Oxidationsmittelrückstände wurden als indirekter Indikator für das Vorhandensein und Ausmaß der zwischen Oxidationsmitteln und Polymeren auftretenden Wechselwirkungen verwendet, da für die direkte Erkennung von Veränderungen der Polymerstruktur ausgefeiltere Methoden (z. B. Py-GC-MS) erforderlich sind. Zur Beurteilung der Veränderungen des Gesamtpolymergehalts wurden Tests zur Aufnahme von organischem Kohlenstoff und UV-Spektrophotometrie verwendet. Ein niedrigerer TOC-Gehalt bedeutet beispielsweise, dass ein Teil des organischen Kohlenstoffs in eine anorganische Form umgewandelt wird.

Die Restmodifizierung von Polyacrylamid (PAM) in Polymerlösungen stellt aufgrund seiner Toxizität ein ernstes Problem dar.

Anorganischer Stickstoff wie Ammoniak-N wurde als Indikator für die Polymerhydrolyse verwendet. Die Proben wurden dreifach analysiert. 2.1 Test auf oxidiertes freies Chlor. Eine Stammchlorlösung mit einem Gehalt von etwa 1000 mg/l wurde aus 6 % handelsüblichem Bleichmittel hergestellt und ihre Konzentration wurde mit einer Standard-Natriumthiosulfat-N-Lösung (Hach) gemäß den Standardmethoden 4500-Cl G (Standardmethoden) verglichen. Wasserversorgungs- und Abwasseruntersuchung 1377). In diesem Experiment betrugen die Chlordosen 5, 10 und 15 mg/l, um Chlor-Polymer-Massenverhältnisse von 0,5, 1,0 und 1,5 zu erreichen. Detaillierte Testbedingungen sind in Tabelle 3.2 angegeben. Tabelle 3.2 Versuchsbedingungen zur Bestimmung von Oxidationsmittelrückständen Polymerdosierung Name mg/l Cl 2, mg/l Oxidationsmittel KMnO 4, mg/l Einwirkzeit, h H-3300 P 10 5, 10, 15 2, 4, 6 5 A – 3333 G 10 5, 10, 15 2, 4 , 6 5 C, 10, 15 2, 4, 6 5 200 ml jeder Polymerlösung mit einer Konzentration von 10 mg/l werden in ein 250 ml Becherglas gegeben und eine bestimmte Menge der ursprünglichen Chlorlösung hinzugegeben. Die in dieser Studie verwendeten Glasbehälter wurden mit Säure gewaschen. Unmittelbar nach dem Mischen wurde eine 20-ml-Aliquote entnommen, um den anfänglichen Restchlorgehalt mithilfe der Jodtitrationsmethode (Anhang B) zu bestimmen. Bei dieser Methode wird eine Standardlösung aus Natriumthiosulfat mit Stärke 24 verwendet.

37 Kalibrierungsindex für freies Jod, das aus überschüssigem Kaliumiodid in Chlor freigesetzt wird (Standardmethoden zur Untersuchung von Wasser und Abwasser, 1998). Anschließend wurde das Fläschchen mit einem Glasstopfen verschlossen und mit Aluminiumfolie versiegelt, um eine mögliche UV-Strahlung zu verhindern. Das Fläschchen wurde auf einen mechanischen Schüttler gestellt und 5 Stunden lang bei 200 U/min geschüttelt. In bestimmten Abständen wurden 10 ml Proben entnommen, um sie auf Restchlor zu testen. Nach 5 Stunden Polyacrylamid (PAM)-Reaktion wurde die Reaktion durch Zugabe von 2–3 Tropfen 0,1 M Natriumthiosulfatlösung gestoppt. Um die Reaktionen möglichst auszugleichen, wurde eine Kontaktzeit von 5 Stunden eingehalten. 2.2 Test mit oxidiertem Kaliumpermanganat Die verbleibende 1000 mg/l KMnO 4 -Lösung wurde aus 0,1 mg KMnO 4 -Pulver (Fisher) hergestellt und in 100 ml Nanowasser gelöst. Die zur Oxidation der Polymerlösung verwendeten Permanganatdosen betrugen 10 mg/l, 2, 4 oder 6 mg/l, berechnet als KMnO 4 (Tabelle 3.2). Es wurde die im vorherigen Abschnitt beschriebene Methode (Chloroxidation) verwendet und die Veränderung des Restpermanganats im Laufe der Zeit beurteilt. Die Konzentration von Kaliumpermanganat wurde direkt durch Messung seiner optischen Dichte bei 525 nm mit einem Spektrophotometer (HACH DR 4000U) bestimmt, da seine Konzentration direkt proportional zur bei 525 nm gemessenen optischen Dichte ist. Die detaillierte Methode ist in Anhang C25 beschrieben.

2.3 TOC- und UV-Absorptions-/Absorptionsspektren. Der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) von PAM-Lösungen (10 mg/l) wurde mit einem Sievers TOC-Analysator bestimmt.

Die TOC-Messung basiert auf der Schätzung der CO2-Masse, die durch die Oxidation organischer Stoffe durch eine Kombination aus UV-Strahlung und der Oxidation von Ammoniumpersulfat unter sauren Bedingungen entsteht (Levine et al., 2004). Für jede Messung wurden etwa 30 ml Probe in ein 40 ml großes 29 x 81 mm großes Fläschchen mit einem teflonbeschichteten Schraubverschluss gegeben und dann in den Autosampler gestellt. Die Testparameter wurden mithilfe eines Computersystems programmiert. Um die Wirkung der Oxidation auf den organischen Kohlenstoffgehalt von Polyacrylamid zu beurteilen, wurde der gesamte organische Kohlenstoffgehalt in drei PAMs (10 mg/l Lösung) vor und nach der Oxidation mit Chlor in einer Konzentration von 5, 10, 15 mg/l bestimmt und Kaliumpermanganat in einer Konzentration von 2,4 getestet. Polyacrylamid (PAM) 6 mg/l für 5 Stunden. Eine weitere Möglichkeit zur Messung von Polymerrückständen ist die UV-Absorption/-Spektren. Polymerproben wurden vor und nach der Chlor-/Permanganatoxidation mit einem UV/Vis-Spektrophotometer (Hach DR 4000U) von 190 bis 300 nm gescannt. Denn frühere Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass Polyacrylamid im Bereich von 190 bis 205 nm eine maximale Absorption erreicht. Daher wurde die Absorption von PAM-Lösungen bei 195 nm als Standard für den Vergleich der Absorptionsänderungen vor und nach Oxidationsreaktionen festgelegt. Die Reaktionszeit betrug bis zu 1 Stunde, was nahe an der Verweilzeit einiger Wasseraufbereitungsanlagen liegt. 26

2.4 Veränderung des Acrylamidrückstands

Restacrylamidgehalt in PAM-Lösungen

Getestet mittels Gaschromatographie (GC) und Elektronenabsorptionsdetektor (ECD). Acrylamid in wässrigen Proben wurde mit gesättigtem Bromwasser (Fisher) zu 2,3-Dibrompropionamid bromiert und dann mit Ethylacetat (Fisher) extrahiert, um es in das stabilere 2-Propenamid umzuwandeln. 2-Bromamid wurde auf einer polaren DBwax-Kapillarsäule (Polyethylenglykol) (30 m × 0,25 mm, Filmdicke 0,25 μm) (J&W Scientific) getrennt und dann mit einem ECD-Detektor nachgewiesen. Die detaillierte Methode ist in Anhang D dargestellt. Da frühere Studien gezeigt haben, dass kationisches PAM empfindlicher auf Oxidation reagiert, wurde in dieser Studie nur die Reständerung der Acrylamidlösung von kationischem PAM (10 mg/l) beurteilt. Die Lösung wurde 30 Minuten lang 15 mg/l Cl oder 6 mg/l KMnO4 ausgesetzt und dann das verbleibende AFM gemessen. Die kombinierte Wirkung ultravioletter Strahlung wurde ebenfalls untersucht und wird im Abschnitt über anorganische Stickstoffrückstände erläutert. 4000 USD). Für jede Messung wurden die vom Gerätelieferanten (Hach) bereitgestellten Analyseverfahren verwendet. 100 ml einer Polymerlösung mit einer Konzentration von 10 mg/l wurden mit 10, 15 mg/l Chlor oder Permanganat bei 4 und 27°C oxidiert.

40 mg/L6 wurden 1 Stunde lang getestet, dann wurden NH3-N, NO2-N und NO3-N getestet und Polyacrylamid (PAM) mit den Ergebnissen der Kontrollgruppe verglichen (ohne Zugabe eines Oxidationsmittels zu den Polymerlösungen). .

Prüfmethoden für anorganischen Stickstoff sind in Tabelle 3.3 aufgeführt. Weitere in der Studie verwendete Analysemethoden werden in den Anhängen vorgestellt, wobei es sich um modifizierte Standardmethoden oder aus anderen Quellen handelt. Tabelle 3.3 Testmethoden für anorganischen Stickstoff (Hach DR4000 Spektralphotometerhandbuch, 2001) Parameterbestimmungsmethode zum Erkennen von Störungen an den Gerätegrenzen Gesamt-NH3 -N DR4000U HACH-Spektrometer 0,09 ppm, NO -NO-2, M, NO, NO, M3 – 2 – N DR4000U HACH-Spektrometer ppm Pb2+, Fe2+, Fe3+, NO – 3, starkes Oxidationsmittel und Reduktionsmittel NO – 3 -N DR4000U Spektralphotometer HACH 0,01 ppm Ca, Cl -, Fe2+, Fe+, NO – 2, pH, Oxidationsmittel und Reduktionsmittel Leistungsstark 3. Photoabbau von Polyacrylamid Zur Untersuchung des Photoabbaus von Polyacrylamid wurde eine UV-Solarlampe verwendet. Die Polymerproben wurden UV-Licht ausgesetzt und der Abbau von PFA wurde anhand der in den folgenden Abschnitten beschriebenen Experimente beurteilt. Die in diesem Experiment verwendete UV-Intensität betrug ungefähr 7 mW/cm2, was nahe an der UV-Intensität des tatsächlichen Sonnenlichts zur Mittagszeit während des Experiments (Mai 2004) lag. Es wurde eine Haltezeit von 30 Minuten gewählt, da längere Haltezeiten zu höheren Temperaturen der Polymerlösung und höheren Verdampfungsraten führen können. Um den Volumenverlust durch Verdunstung zu messen, wurden 50 ml der Arbeitspolymerlösung 30 Minuten lang demselben Licht ausgesetzt und das Volumen mithilfe eines Messzylinders gemessen. Die Ergebnisse nachfolgender Studien wurden um den Prozentsatz der Verluste durch Verdunstung bereinigt.

3.1 UV-induzierte Polymerveränderungen

Der Einfluss der UV-Strahlung auf den TOC-PAM-Gehalt und das UV-Spektrum wurde untersucht. Die Methoden ähneln denen, die in Abschnitt II beschrieben werden. 3.2 Modifizierung von Acrylamidrückständen durch UV-Bestrahlung und Kombination mit Oxidationsmitteln. Eine Lösung von kationischem PAM (C-3280) mit einer Konzentration von 10 mg/l wurde 30 Minuten lang UV-Bestrahlung und/oder Oxidationsmitteln (Chlor und/oder Permanganat) ausgesetzt. Auf Acrylamidrückstände getestet. Die experimentellen Bedingungen unter Verwendung von GC-ECD sind in Tabelle 3.4 angegeben. Tabelle 3.4. Acrylamid-Rückstandstests Polymername Polymerdosis UV-Chlor Kaliumpermanganat Einwirkungszeit C mg/l 30 Minuten C mg/l Minimum C mg/l Kombination von UV mit Chlor/Permanganat. In diesem Experiment wurde die Wirkung von UV-Strahlung auf die Oxidation von PAM-Lösungen durch Chlor/Permanganat untersucht. 10 mg/l PAM 29

Die Lösung wird ultravioletter Strahlung ausgesetzt

Dabei wird eine bestimmte Menge Chlor- (oder Permanganat-)Lösung eingesetzt, um einen Anfangsrückstand von 5, 10 oder 15 mg/l in Form von Cl 2 (bzw. 2, 4, 6 mg/l) zu erreichen. KMnO4 zur Oxidation von Permanganat). Alle 10 Minuten wurden Proben von 10 ml entnommen und das Restchlor (bzw. Restpermanganat) bis zum Ende der Reaktion bestimmt. Die Reduktion der Restoxidantien nach 30 Minuten wurde mit ihrer Reduktion nach 30 Minuten ohne UV-Bestrahlung verglichen. 4. Flockungseigenschaften. In diesem Experiment wurde die Sintereffizienz ausgewählter PAMs vor und nach der Oxidation bewertet und anhand der Sedimentationsrate einer 1,5%igen Kaolinsuspension verglichen. Die Methode zur Bestimmung der Sedimentationsrate wurde aufgrund der Studie von Smith-Palmer et al. modifiziert. (1994). Für jede Reihe von Flockungstests wurden 15 g Kaolin (Fisher) mindestens 1 Stunde lang mit 890 ml Nanowasser und 10 ml Salzlösung gemischt. Die Kochsalzlösung enthält Natriumchlorid M (Fischer), Calciumchlorid M (Fischer) und Magnesiumchlorid M (Fischer). Anschließend wurde die Kaolinsuspension dreimal, jeweils 30 ml (insgesamt 90 ml), in einen 100-ml-Messzylinder gegeben. Anschließend wurde eine bestimmte Menge Polymerlösung in den Zylinder gegeben, bis sein Volumen 100 ml erreichte. Der Zylinder wurde zum Mischen 5 Minuten lang umgedreht, dann wurde nach 3 Minuten die Sedimentationsstrecke (cm) gemessen und die durchschnittliche Sedimentationsgeschwindigkeit (cm/min) berechnet. Bevor die Flockungseffizienz von Polymeren getestet wurde, 30

Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen

Charakteristika der viskosen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen. Großer Projektbericht: Eingereicht bei der Fakultät des Worcester Polytechnic Institute zur teilweisen Erfüllung der Anforderungen für den Bachelor of Science. Zachary Gautreau 1, Peterpan, Jeremy, Jeremy, P. Thongpradit 1 1 Abteilung für Biomedizintechnik, Worcester Polytechnic Institute 2 Abteilung für Physik, Worcester Polytechnic Institute. Datum: 27. April, Polyacrylamid 2. Viskoelastizität 3. Professor für Zellkultur. Kristen Billiar 1, Hauptberaterin, Professorin. Nancy Burnham

2 Inhalt 1. Einleitung Grundlegende Informationen Eindruck von Polyacrylamid-Gelkugeln, Rasterkraftmikroskopie und Hertzsche Kontaktmechanik, einachsige und viskoelastische Zugprüfung, viskoelastischer und viskoelastischer Designansatz. Rasterkraftmikroskopie, einachsiger Zugversuch, Rheologietest, Diskussion, zukünftige Empfehlungen, Referenzen, Anwendungen, Zwei-mal-zwei-Vergleichstabelle, Polyacrylamid-Eindruckkugelprotokoll, TATOMIC LOXYEN

3 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Chemische Struktur des Acrylamidmonomers Abbildung 2: Kombination von Hertz-Modellen der konischen Spitze eines AFM Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Probe unter Spannung Abbildung 4: Spannungsrelaxationstest Abbildung 5: Abbildung 6: Abbildung 6: Ziel Abbildung 7: Polymerisationsverfahren für Glasplatten. Abbildung 8: Polyacrylamid-Gelblatt 13: Polyacrylamidprobe mit Klettband Abbildung 14: Zwei zusätzliche Klettstücke mit Löchern Abbildung 15: Richtige Ladeposition Abbildung 16: Kameraansicht Abbildung 17: Bohlin Gemini Kraftsensor Abbildung 18: Schematische Darstellung rheologischer Systeme. Abbildung 19: Frequenzscan Abbildung 20: Schubdruck

Trotz ihrer weit verbreiteten Verwendung in Zellkulturstudien sind die mechanischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen unklar.

Zur vollständigen Charakterisierung dieses Gels wurden Rasterkraftmikroskopie, einachsige Tests, Rheologie und sphärische Eindrücke verwendet. Der Bereich der Elastizitätsmodule kPa und kPa für die Gelkonzentration betrug 5 %/0,025 % bzw. 8 %/0,08 %, und die Poissonzahl betrug 0,45. Zukünftige Studien mit Polyacrylamid als Zellkultursubstrat sollten zeigen, wie sich das Gel differenziert, und die Unsicherheit bei den Steifigkeitswerten berücksichtigen.

8 1. Einleitung Polyacrylamid hat sich als beliebte Methode zur Untersuchung der Reaktion kultivierter Zellen auf erhöhte Umwelthärte erwiesen. Das Interesse an Polyacrylamid entstand aufgrund seiner gut bekannten Biokompatibilität und anpassbaren mechanischen Eigenschaften. Für Zellkulturtechniken sind Substrate erforderlich, die die natürlichen Bedingungen biologischer Gewebe möglichst genau nachahmen. Es ist bekannt, dass Polyacrylamidgele mit mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können, die mit denen von weichem, normalem und pathologischem Gewebe identisch sind. Allerdings ist das Potenzial von Polyacrylamid als Zellkultursubstrat für In-vitro-Studien derzeit durch die Unsicherheit hinsichtlich spezifischer Härtewerte begrenzt.

Durch die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen soll ein breiter Bereich konstanter Härtewerte für zwei Gelkonzentrationen ermittelt werden.

Bislang wurde nur wenig Forschung betrieben, um die verschiedenen mechanischen Parameter zu klären, die Polyacrylamid mit normalen Weichteilen gemeinsam hat. Bei dem Versuch, die relativen Steifigkeitswerte für verschiedene Konzentrationen von Polyacrylamid zu bestimmen, zeichneten Dr. Yu Li Wang und Kollegen einen Bereich von Steifigkeitswerten auf, der denen von natürlichem Weichgewebe, das bei mechanischen Tests ermittelt wurde, sehr ähnlich war (Wang et al., 2002). Allerdings wurden die kürzlich veröffentlichten Ergebnisse von Dr. Wang von einem Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Dennis Disher von der University of Pennsylvania, das eine alternative Testmethode verwendete, als etwas falsch eingestuft (Engler et al., 2004). Die Erweiterung dieser Ergebnisse und die in diesem Bericht vorgestellten Ergebnisse haben praktische Auswirkungen auf die Untersuchung zellulärer Interaktionen auf Polyacrylamidsubstraten. Es ist bekannt, dass Zell-Substrat-Interaktionen verschiedene Zelleigenschaften beeinflussen, wie etwa Proliferationsrate, Differenzierungswege, Migration, Adhäsion und Matrix-Remodellierung. Der Einfluss des Substrats auf diese Eigenschaften lässt sich größtenteils durch seine mechanischen Eigenschaften erklären.

Eigenschaften.

Die mechanischen Anforderungen an das Substrat entsprechen dem jeweiligen Zelltyp. Daher schränken unbekannte Werte der Konzentrationshärte von Polyacrylamid die Forschungsmöglichkeiten erheblich ein. Das Hauptziel dieses Projekts besteht darin, zuverlässige Werte zur Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften von Polyacrylamid über einen weiten Konzentrationsbereich zu finden. Wir hoffen, dass durch die Verwendung der vier Methoden eine umfassende Bewertung der Zuverlässigkeit, Vorteile und Möglichkeiten der Methode möglich ist, die es uns ermöglicht, eine umfassende Schlussfolgerung zu ziehen. Die elastischen Eigenschaften werden durch experimentelle Tests mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Kugeleindruck, dynamischer Rheologie und einachsiger Spannung bestimmt. Nach einer kurzen Einführung in die relevanten Themen werden in diesem Artikel die experimentellen Verfahren und Ergebnisse der einzelnen Methoden erörtert. Diese Methoden werden verglichen und analysiert, um den Bereich akzeptabler Härtewerte für bestimmte Konzentrationen von Polyacrylamidgelen zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Studie könnten einen Standard für die Zusammensetzung von Polyacrylamid-Gelsubstraten etablieren, die in der Zellkultur verwendet werden. 9

Grundlegende Informationen zu Polyacrylamidgelen

Frühere Studien haben gezeigt, dass Zellen unterschiedlich reagieren, wenn sie auf Substraten mit unterschiedlicher mechanischer Steifigkeit gezüchtet werden. Mechanische Wechselwirkungen zwischen der Zelle und dem Substrat beeinflussen eine Reihe von zellulären Verhaltensweisen (Benningo et al., 2002). Polyacrylamidgel lässt sich leicht herstellen und viele Experten sind davon überzeugt, dass es ein geeignetes Substrat für das Zellwachstum darstellt, da es so konstruiert werden kann, dass es die mechanischen Eigenschaften von natürlichem Gewebe sehr genau nachahmt. Forscher haben große Fortschritte bei der Befestigung von Zellen an Polyacrylamidgelsubstraten gemacht. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, die zellulären Reaktionen, die sich aus den mechanischen Eigenschaften des Substrats ergeben, genau zu beurteilen, da es keinen klaren Standard zur Definition seiner mechanischen Eigenschaften gibt. Dr. Yu-Li Wang und Kollegen versuchten, die Eigenschaften von Polyacrylamidgelen mithilfe der Bead-Scoring-Methode zu bestimmen. Darüber hinaus verglichen Dr. Dennis Decher und Kollegen die mechanischen Steifigkeitswerte mehrerer natürlicher Gel- und Polyacrylamidsubstrate mittels AFM (Engler, 2004). Es wurden überzeugende Ergebnisse erzielt, die Ähnlichkeiten zwischen mehreren Substrattypen aufzeigen. Um die Umgebung und Struktur natürlichen Weichgewebes nachzuahmen, entwickeln Forscher synthetische Polyacrylamidgele mit ähnlichen Eigenschaften wie gesundes und erkranktes menschliches Gewebe. Diese Gele entstehen durch Auflösen von Acrylamid und dem vernetzten Monomer N,N‘-Methylenbisacrylamid (Bis). Die chemische Struktur des Acrylamidmonomers ist in Abbildung 1 zu sehen.

Chemische Struktur des Acrylamidmonomers

Die Polymerisation in Polyacrylamidgel ist eine durch freie Radikale katalysierte Reaktion, bei der lange, durch kovalente Bindungen verbundene Ketten entstehen. Polyacrylamidgele werden üblicherweise zwischen zwei Glasplatten platziert, da Sauerstoff als Radikalfänger wirkt und die Polymerisation verhindert ([Guide], 2005).

Neben der einfachen Herstellung bietet die Verwendung von Polyacrylamidgelen als Struktur zur Untersuchung mechanischer Eigenschaften auf mikroskopischer Ebene zahlreiche Vorteile. Die mechanischen Eigenschaften können durch Änderung der Konzentration von Acrylamid und Bisacrylamid leicht manipuliert werden, ohne dass sich die chemischen Eigenschaften des Gels ändern.

Aufgrund ihrer weichen, elastischen Beschaffenheit bieten Polyacrylamidgele ein realistischeres Modell physiologischen Gewebes als Glas- oder Kunststoffoberflächen. Dieses Gelmaterial verfügt über optische Eigenschaften, die es Forschern ermöglichen, hochauflösende Bilder für die Strukturanalyse zu erhalten. Darüber hinaus wurden in einigen Studien fluoreszierende Perlen in die Gele eingebettet, um die mechanischen Eigenschaften mit einer Auflösung von nahezu 2 μm weiter zu analysieren (Benningo et al., 2002).

Durch einfaches Beibehalten einer konstanten Gesamtacrylamidkonzentration bei gleichzeitiger Variation der Bisacrylamid-Vernetzerkonzentration kann ein breiter Bereich an Härtewerten erreicht werden. Frühere Studien haben gezeigt, dass sehr geringe Konzentrationen von Bisacrylamid zu Rissen auf der Geloberfläche führen und das Gel möglicherweise nicht polymerisiert.

Wang und Kollegen haben zuvor gezeigt, dass eine 5–8%ige Acrylamid/Bisacrylamid-Gelmischung ein geeignetes Gerüst zur Messung der Zellzugkräfte ist (Engler et al., 2002). Es ist auch wichtig

Für eine vollständige Konzentration der Gelkomponenten unter Beibehaltung der erforderlichen Dicke.

Die Dicke des Gels kann nicht anhand des verwendeten Lösungsvolumens berechnet werden. Die tatsächliche Dicke des Gels beträgt das Vierfache des berechneten Wertes. Dies ist auf die Reaktion des Gels auf Veränderungen der Temperatur, Osmolarität und Hydratation zurückzuführen. Daher ist es wichtig, bei der Arbeit mit Polyacrylamidgelen die Testatmosphäre zu überwachen und stets geeignete Testbedingungen aufrechtzuerhalten.

In den folgenden Abschnitten werden die Prinzipien und Methoden zur Bestimmung der mechanischen und viskoelastischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen beschrieben. Kugeleindruck, Rasterkraftmikroskopie und Hertz-Kontakteindruck zählen aufgrund ihrer einfachen Technik zu den Standardmethoden zur Bestimmung der Härte weicher Werkstoffe. Grundprinzipien.

Nach den Prinzipien der Hertzschen Mechanik kann mit dieser einfachen Methode der Härtewert bestimmt werden. Dr. Yu-Li Wang von der University of Massachusetts Medical School verwendete diese Methode für Polyacrylamid (Pelham und Wang, 1997). Die Ergebnisse dieses Experiments wurden schließlich 2002 in einem Forschungsartikel veröffentlicht, in dem die Methodik vorgestellt wurde (Engler, 2002). In dieser Studie wurden ähnliche Forschungsmethoden mit geringfügigen Änderungen verwendet.

Die in der bisherigen Forschungsmethode festgestellten Lücken werden analysiert, um die Wirksamkeit der Methoden weiter zu bewerten. Die Hertzsche Mechanik liefert die Grundlage und mathematische Theorie für die Kugeleindrückung. Alle Probleme der Hertzschen Mechanik erfordern mehrere Annahmen für die mathematische Analyse.

Die in dieser Studie berücksichtigten Annahmen sind wie folgt (Emil, 2002): Am Kontaktpunkt kann die Form beider Kontaktflächen durch ein homogenes Polynom zweiter Ordnung in zwei Variablen beschrieben werden. Beide Oberflächen sind vollkommen glatt.

Differentialgleichungen von Kontaktspannungen und Dehnungen-Spannungen-Dehnungen homogener Körper,

Harmonisch und flexibel im Gleichgewicht. Der Druck verschwindet in großer Entfernung von der Kontaktfläche. Die Schubspannungskomponenten sind auf beiden Oberflächen innerhalb und außerhalb der Kontaktzone Null. Die Normalspannungskomponenten auf beiden Oberflächen außerhalb der Kontaktzone sind Null. Der Gesamtdruck auf die Kontaktfläche entspricht der Kraft, die die beiden Objekte zusammendrückt. Der Abstand zwischen zwei Objekten beträgt innerhalb der Fläche Null, ist außerhalb der Kontaktfläche jedoch begrenzt. Ohne äußere Krafteinwirkung verschlechtert sich die Kontaktfläche bis zu einem gewissen Punkt. Unter diesen Annahmen führt die mathematische Herleitung zu einer Straßenbelagsgleichung, mit der der Wert für die Untergrundsteifigkeit bestimmt wird.

Die Herleitung der ursprünglichen Gleichung finden Sie in Anhang 10.3 (Wang et al., 2002): 2(ν)31 Ps E = (N/m2). Die Gleichung dR ergibt sich aus der Gleichung, wobei E der Elastizitätsmodul, ν die Emissivität s, Ps die auf den Ball ausgeübte Kraft, d der gemessene Fall des Balls und R der Radius des Balls ist. Später wurden mittels Rasterkraftmikroskopie an Polyacrylamid weiterführende und lokalisierte Untersuchungen durchgeführt. Wie bei der Kugeleindruckmessung wird die AFM-Sonde auf die Probe abgesenkt und die Eindrucktiefe gemessen. AFM arbeitet jedoch in einem viel kleineren Maßstab.

Der Cantilever wird inklusive der konischen Aussparung an der Spitze auf die Probe abgesenkt und anschließend gebogen. Der Laser wird auf die Spitze des Cantilevers gerichtet und dann auf eine Fotodiode reflektiert. Die Position des Lasers auf der Fotodiode korreliert mit der Auslenkung des Cantilevers und ermöglicht so präzise Messungen. Dr. Dennis Discher von der University of Pennsylvania ist ein renommierter Forscher, der AFM in seinen Studien von Zellsubstraten verwendet (Discher et al., 2004). erstellen

14 Die Vereinfachung des Prozesses zur Erfassung von AFM-Daten auf einer kompatiblen Oberfläche befindet sich noch in der Entwicklung. Die aktuelle Methodik wird in einem Bericht von Margot Frey vom Worcester Polytechnic Institute beschrieben (Frey et al., 2005). Die konische Spitze des AFM entspricht sowohl den konischen als auch den sphärischen Hertz-Modellen. Die Spitze verhält sich wie eine Kugel und gehorcht bis zu einer bestimmten Eindringtiefe der Gleichung 2.

Das Hertzsche Kegelmodell ergibt sich dann wie folgt: 2 2Pc (1 v) E = , Gleichung 2 2d π tanθ mit θ gleich dem halben Scheitelwinkel s, der mit dem in der AFM-Methodik beschriebenen Schritt der Gitterabstandsfunktion gemessen wird. Abbildung 2: Bildung von AFM-Kegelspitzen-Hertzschen Modellen. Die folgenden Gleichungen wurden zur Berechnung der Hertzschen Modelle verwendet. Das Hertz-Modell einer Kugelspitze ist unten dargestellt:14

(3/2) Phosphor = Bahrain-Dinar. Gleichung 3. Der Wert von B wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

B 4 3 E (1 ν) R / nm (3 / (1/2) 2) = * * (nn), Gleichung 4 2, wobei R der Kantenradius und a die Poissonzahl ist. Kugeleindruck- und AFM-Methoden messen lokale Eigenschaften eines Materials. In den nächsten beiden Abschnitten werden die Prinzipien der beiden in dieser Studie verwendeten Methoden zur Ermittlung der Gesamteigenschaften von Polyacrylamidgelen beschrieben.

Es besteht die Hoffnung, dass die Kombination von Messungen auf beiden Skalen zu einem umfassenden Verständnis dieses komplexen Materials führt. Einachsiger Zug- und Elastizitätstest Zusätzlich zu lokalen Kugeleindruck- und AFM-Messungen liefert der einachsige Zugtest Volumeneigenschaften des Polyacrylamidgels.

Bei der einachsigen Zugprüfung handelt es sich um eine direkte mechanische Messung, mit der das Verhalten eines Materials überwacht wird, wenn es in eine Richtung gedehnt wird. Zwei wichtige Parameter dieser Methode sind die Größe der Kraft pro Flächeneinheit und die Zugfestigkeitsreaktion des Materials unter Einwirkung einer bekannten Kraft.

Diese kombinierten Ergebnisse ermöglichen die Erstellung einer Spannungs-Dehnungs-Kurve und die Berechnung des Elastizitätsmoduls zur Bestimmung der Härte des Materials. Die auf ein Material ausgeübte Spannung kann ermittelt werden, indem die Kraft durch die ursprüngliche Fläche der Probe geteilt wird, auf die die Kraft ausgeübt wird. Die Spannung (σ) aus Gleichung 5 wird als Kraftgröße pro Flächeneinheit definiert: = Kraft σ. Gleichung 5 der Anfangsfläche

Während der Druckbeaufschlagung wird die Probe axialem Zug und seitlichem Druck ausgesetzt.

In Abb. 3 ist ein Diagramm einer Probe unter Zugbelastung während eines einachsigen Tests dargestellt. Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Probe, die während eines einachsigen Zugversuchs axialer Zugspannung und Querdruck ausgesetzt ist.

Die Stärke der Spannung bestimmt die Verformung eines Körpers, wenn dieser einer Spannung ausgesetzt wird. Die technische Dehnung wird als Längenänderung geteilt durch die ursprüngliche Länge definiert. Die Grundgleichung wird durch den griechischen Buchstaben ε (Epsilon) dargestellt, wie in Gleichung 6 gezeigt: ε = Länge. Gleichung 6. Die in Abbildung 3 gezeigte Anfangslänge ist relativ klein, bzw. die geometrische Axialspannung ergibt sich aus: CC = ‚C ε. Gleichung 7. In der Vergangenheit haben viele Forscher die Eigenschaften von Polyacrylamidgelen mithilfe der uniaxialen Verlängerungsmethode untersucht (Pelham und Wang, 1997). Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Gels war dessen Kohäsion ein häufiges Problem bei Zugfestigkeitsprüfungen.

Um ein Verrutschen und Brechen der Probe während der Zugprüfung zu verhindern, wurden verschiedene Griffkonstruktionen entwickelt. Eine Forschungsgruppe verwendete Büroklammern zur Befestigung an einem Polyacrylamidgel. Bei dieser Methode wurde das Gewicht der Klammern genutzt, um eine Zugkraft auszuüben 16

Affinität der Gelprobe (Pelham und Wang, 1997).

Eine andere von Wong geleitete Gruppe entwickelte eine Methode, bei der Stücke transparenter Folie mit Klebstoff an beiden Enden einer Gelprobe befestigt und bekannte Gewichte mithilfe von Kupferdraht angebracht wurden (Wong, 2003). Obwohl maximale Stresswerte in früheren Studien nicht ausführlich diskutiert wurden, ist es wichtig, den prozentualen Stresswert innerhalb des zellulären Reaktionsbereichs zu halten. Eine Studie über Zellstress von Engler zeigte, dass der maximale Stress, der von einer einzelnen Zelle erzeugt wird, etwa 15–25 % beträgt (Engler, 2004).

Die Forscher verwendeten die oben erwähnten Spannungs-Dehnungs-Gleichungen, um den Elastizitätsmodul zu ermitteln. Darüber hinaus kann mit diesem Prüfverfahren die Poissonzahl ermittelt werden, indem die Dehnung bei Quer- und Axialverformungen berechnet wird. Die anderen drei Methoden dieses Projekts, die in dieser Studie verwendet werden, basieren auf der genauen Poissonzahl zur Berechnung des Elastizitätsmoduls.

Die Forscher verwendeten eine Poisson-Zahl in einem Bereich statt einer bestimmten Zahl: Englers Forschungsgruppe fand eine Poisson-Zahl im Bereich von 1, während Dr. Wangs Gruppe einen Wert von 0,3 fand (Engler, 2004). Diese Werte wurden in den 1980er Jahren aus zahlreichen Untersuchungen zur Quellung von Polyacrylamidgelen gewonnen (Geisler, 1980).

Neben der Messung der Poissonzahl und des Elastizitätsmoduls kann mit der Methode der einachsigen Spannung auch das viskose Verhalten von Materialien bestimmt werden. Zur Untersuchung des viskoelastischen Verhaltens von Polyacrylamidgel wurden unterschiedliche Dehnungsraten und Spannungsrelaxationsmethoden mit Zugversuchen verwendet. Das für diese Methode verwendete Gerät ermöglicht die Variation der Verformungsrate, während frühere Forscher das Verhalten des Gels bei unterschiedlichen Verformungsraten nicht untersucht haben. Bei Spannungsrelaxationstests wird erwartet, dass die Härtewerte viskoelastischer Materialien mit zunehmender Dehnungsrate zunehmen und mit der Zeit abnehmen. Abbildung 4 zeigt die meisten Verhaltenseigenschaften elastischer und viskoelastischer Materialien.

Zeit des Stresses

Abbildung 4: Spannungsrelaxationstest: a) Das Material ist grundsätzlich elastisch, da die Spannung konstant ist. b) Das Material verhält sich wie eine viskoelastische Flüssigkeit mit ständig abnehmendem Spannungswert. Um die viskoelastischen Eigenschaften von Polyacrylamid vollständig zu analysieren, wurde eine andere Theorie der Viskoelastizität durch dynamische Tests einschließlich harmonischer Bewegung untersucht. Die vorgestellten Konzepte finden insbesondere auf die in dieser Studie verwendete rheologische Testtechnik Anwendung.

Wie bereits erwähnt, weisen halbfeste oder viskoelastische Materialien je nach Temperatur, Druck und dem im Laufe der Zeit ausgeübten Druck flüssige und feste Eigenschaften auf (Goodwin, 2000). Mit einem dynamischen Rheometer können die viskoelastischen Eigenschaften von Polyacrylamid durch Berechnung des komplexen Schermoduls unter niederfrequenter oszillatorischer Scherverformung bestimmt werden.

Polyacrylamidgele weisen aufgrund ihres vernetzten dreidimensionalen Netzwerks ein viskoelastisches Verhalten auf und haben die Fähigkeit, Energie zu speichern und zu fließen, wenn sie kleinen Verformungen ausgesetzt werden. Das Rheometer übt ein harmonisches Schwingdrehmoment auf eine Polyacrylamidgelprobe aus und kann die Ausgangsbewegungen messen, um die Viskoelastizität zu berechnen18.

Visuelles Konzept der angewandten Scherspannung

Die resultierende Dehnung bzw. Scherspannung wird angezeigt. τ γ δ G * G δ G τ = Scherspannung (Pa) γ = Scherspannung G = Elastizitätsmodul (Pa) G = Verlustmodul (Pa) δ = Phasenwinkel (rad) G* = komplexer Modul Abbildung 5: Dies zeigt Das Diagramm eines viskoelastischen Materials zeigt zwei phasenverschobene Sinuswellen: eine stellt die Scherspannung dar und die andere die resultierende Scherspannung.

Der Elastizitätsmodul (G) quantifiziert die Menge an elastischer Energie in einem System, während der Verlustmodul (G) die mechanische Energie ist, die aufgrund viskoser Kräfte verloren geht. Die elastische Reaktion eines bestimmten Gels wird durch den Elastizitätsmodul (G) gemessen, der ein Maß für die Fähigkeit des Gels ist, elastische Energie zu speichern, die schließlich wiederhergestellt werden kann.

Die zweite Dimension, der Verlustkoeffizient (G), misst die Menge an mechanischer Energie, die aufgrund der auf das Gel einwirkenden viskosen Kräfte als Wärme verloren geht. Schließlich stellt das Verhältnis G/G den Tangens des Phasenwinkels zwischen Spannung und Scherung während der oszillierenden Scherung dar (Grattoni, 2001). Der Phasenwinkel bestimmt den Grad der Viskoelastizität eines bestimmten Materials.

Elastische Materialien haben Phasenwinkel nahe 0 (die Scherspannung ist in Phase mit der angewandten Scherspannung), während viskose Materialien Phasenwinkel nahe 90 haben (die Scherspannung ist völlig außer Phase mit der angewandten Scherspannung). Der komplexe Modul (G*) wird als viskoelastischer Modul oder komplexer Modul bezeichnet und ergibt sich aus der Beziehung zwischen Spannung und Dehnung. Dieser Wert bestimmt die Gesamtfestigkeit gegen Schwingungsscherung. 19

Bei einem linear elastischen Material kann der mit einem Rheometer ermittelte Schermodulwert mithilfe der folgenden Gleichung in einen Elastizitätsmodulwert umgewandelt werden:

E2(1 + ν) * p =. Gleichung 8 ist der G*-Wert, der in den zuvor erwähnten komplexen Koeffizientenberechnungen verwendet wird. Wie im Abschnitt über einachsige Spannung erläutert, ist die Poissonzahl ( ) der negative Wert der Querspannung zur einachsigen Spannung unter axialer Belastung. Die Poissonzahl wurde durch uniaxiale Tests von Polyacrylamidgelen berechnet. Die Forscher verwendeten verschiedene rheologische Methoden, um die viskoelastischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen zu bestimmen.

Butler et al. (1998) verwendeten kleine ferromagnetische Perlen in einem Gel, um dessen rheologische Eigenschaften zu bewerten. Die Winkeldrehung der Kugeln wurde gemessen, als die magnetisierten Kugeln durch ein externes Magnetfeld gedreht wurden. Butler et al. berichteten, dass es schwierig ist, die Viskosität und den Elastizitätsmodul eines Materials anhand dieser Parameter zu interpretieren. Andere Studien umfassen die Verwendung der Mikrobiologie zur Charakterisierung der Eigenschaften von Polyacrylamidgelen. Dasgupta und seine Kollegen verwendeten in die Umgebung eingebettete Sensoren, um lokale viskoelastische Eigenschaften zu beurteilen.

Diese Studie zeigte, dass die Eigenschaften von Polyacrylamidgelen mithilfe von quasi-elastischer Lichtstreuung, diffuser Wellenspektroskopie und videobasierten Partikelverfolgungsmethoden erfolgreich gemessen werden können (Dasgupta, 2005). Es ist schwierig, die von Dasguptas Forschungsgruppe erzielten Ergebnisse zu vergleichen, da sie zur Herstellung der Polyacrylamidproben sehr unterschiedliche Konzentrationen von Acrylamidmonomer und Bisacrylamid-Vernetzer verwendeten. Interessanterweise stellte die Gruppe fest, dass Methoden der Mikrorheologie und der Volumenrheologie zu ähnlichen Änderungen der Elastizitäts- und Viskositätsmodule führten. Auch auf lokaler Ebene haben Schnurr et al. Sie verwendeten Laserinterferometrie-Technologie, um 20 Perlen zu messen.

auf einem Polyacrylamidsubstrat

Die Einschränkung dieser Methode bestand darin, dass sie keine feine räumliche und zeitliche Auflösung auf lokaler Ebene bieten konnte und nicht in der Lage war, eine große Anzahl von Perlen gleichzeitig zu messen (Dasgupta, 2005). Da keine Ausrüstung vorhanden ist, können in dieser Studie viele der oben genannten Mikrofeder- und Perlentechniken verwendet werden. Im Kapitel „Rheometrische Methodik“ werden die für dieses Projekt durchgeführten dynamischen Vibrationstests ausführlicher beschrieben. Es ist wichtig, den Unterschied im Maßstab der gemessenen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen zu beachten.

Projektansatz Dieses Projekt war insofern einzigartig, als dass es weder den Entwurf noch die Prüfung physischer Objekte erforderte.

Diese Arbeit erforderte die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen. Um die Eigenschaften von Polyacrylamidgelen vollständig zu verstehen, war es notwendig, einem strategischen Designprozess zu folgen.

Um die mechanischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen zu untersuchen, war es notwendig, Messmethoden auszuwählen, die Eigenschaften auf Makro- und Mikroebene bestimmen.

Der Ansatz dieses Forschungsvorhabens besteht darin, mittels unterschiedlicher Messsysteme die Reproduzierbarkeit und Konstanz der mechanischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen zu ermitteln.

Das Team näherte sich der grundlegenden Projektbeschreibung des Kunden, indem es eine Reihe von Fragen stellte, um die Ziele, Einschränkungen und Funktionalität des Kunden klar zu definieren. Frühere Studien mit Polyacrylamidgelen wurden sorgfältig geprüft und haben gezeigt, dass die viskoelastischen Eigenschaften des Materials nicht sehr ausführlich untersucht wurden.

Das Team verwendete Projektmanagement-Tools und kam zu dem Schluss, dass mehrere Methoden erforderlich waren, um die Anforderungen des Kunden zu erfüllen. Darüber hinaus beschloss das Team, das Problem aus verschiedenen Maßstäben anzugehen.

Möglichkeit zum einfachen Vergleich mit veröffentlichten Werten und zur vollständigen Beurteilung des Inhalts. Auf der Grundlage vorläufiger Untersuchungen, Budgetbeschränkungen und der Verfügbarkeit von Geräten entschied sich das Team für die Verwendung von vier Methoden: Kugeleindruck, Rasterkraftmikroskopie (AFM), einachsiger Zugversuch und Rheologie. Auf dem WPI-Campus wurden drei Methoden durchgeführt: Kugeleindruckprüfung, AFM und einachsiger Zugversuch.

Das Team verwendete jedoch ein Rheometer von Malvern Instruments in Southborough, Massachusetts. Kugeleindruck- und AFM-Methoden liefern Härtewerte auf lokaler Skala, während einachsige Zugversuche und Rheometriemethoden die Volumeneigenschaften messen. Mithilfe dieser vier Methoden hoffte das Team, Licht in einige der 22 Methoden zu bringen.

Der Streitpunkt betrifft Härtewerte und ermöglicht ein besseres Verständnis der Eigenschaften des Gels auf mehreren Ebenen.

4. Entwurf Um die experimentelle Methode für dieses Projekt richtig zu formulieren, wird der Entwurfsprozess im Lehrbuch „Engineering Design“ beschrieben:

Darauf folgte eine projektbasierte Einführung, die von Dym und Little (2004) vorgeschlagen wurde. Im nächsten Abschnitt wird der allgemeine Prozess beschrieben, der zur Entwicklung der Struktur dieses Projekts verwendet wurde. Der Versuch, ein neues experimentelles Design zu entwickeln, unterscheidet den Designprozess dieses Projekts vom typischen Designprozess, bei dem ein physisches Gerät entwickelt wird.

Mehrere Interviews mit Kunden ermöglichten eine erste Analyse der Ziele und Einschränkungen des Projekts. Um zuverlässige viskoelastische Eigenschaften von Polyacrylamidgelen zu erreichen, wurden in Kundenbefragungen die folgenden Ziele ermittelt: Schaffung zuverlässiger viskoelastischer Eigenschaften, Einhaltung des Projektbudgets, Vermeidung von Schäden für den Benutzer und einfache Handhabung.

Basierend auf den Interviewergebnissen wurde eine spezifischere Liste von Anforderungen zur Aufnahme in den Zielbaum und die Paarvergleichstabelle entwickelt. Der Zielbaum ist in Abbildung 6 zu sehen und das paarweise Vergleichsdiagramm finden Sie im Anhang. Anhand dieser Werkzeuge wurde deutlich, dass das Hauptziel des Projekts darin bestand, bei der Anwendung einzelner Messmethoden reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

Zuverlässige viskoelastische Eigenschaften kostengünstiger und sicherer Polyacrylamidgele. Benutzerfreundlichkeit. Fehleranalyse. Maximierung des Frequenzbereichs.

Maximieren Sie für Rheometrie und AFM die Anzahl der im kPa-Bereich getesteten Konzentrationen und maximieren Sie die Anzahl der für jede Konzentration getesteten Proben. E: Zielbaum: Dieses Designtool half dem Team, die Gesamtziele des Projekts zu priorisieren.

Das ultimative Ziel dieser Studie war es, zuverlässige viskoelastische Eigenschaften von Polyacrylamidgelen zu erhalten. Die Paired Comparison Chart (PCC) wurde an alle Kunden gesendet, darunter Dr. Billiard, Dr. Burnham, Angie Tram und Margot Frey. Diese Begünstigten wurden als wichtige Interessenvertreter der entsprechenden Forschung identifiziert, daher war es wichtig, ihre Anliegen zu ermitteln. Zum Vergleich haben wir auch die PCC-Forschungsgruppe erweitert. Der PCC ermöglichte es dem Kunden und dem Team, die Wichtigkeit der Projektziele einzuschätzen.

Das PCC-Diagramm dient als weiteres Kommunikationsmittel zwischen dem Kunden und dem Team, um den Grad des Verständnisses zu bewerten und zu vergleichen. Die Zahlen 1, 0,5 oder 0 stellen Punktzahlen dar, mit denen die Wichtigkeit eines Ziels bewertet wird. Der Scorewert gibt das Signifikanzniveau an. Wenn er das Ziel auf der Y-Achse für wichtiger hält als das Ziel auf der X-Achse, funktioniert das Diagramm so, dass in das Kästchen eine 1 eingetragen wird.

Wenn er das Ziel auf der X-Achse für wichtiger hält, ist diese Zahl 0. Wenn er beide Ziele für gleich wichtig hält, sollte er die Zahl 0,5 in das weiße Kästchen eintragen. Das Feedback unserer Kunden und unseres Teams zeigte, dass das Erreichen wiederholbarer Werte höchste Priorität hatte. Die maximale Anzahl an Konzentrationen und Proben, von der das Team zunächst annahm, dass sie größer als 25 sei.

Mithilfe dieses PCC-Diagramms wird ein kritischer Zustandsfehler demonstriert.

Dieses PCC-Diagramm war für das Team während des Designprozesses eine große Hilfe, um wertvolle und zufriedenstellende Ergebnisse für ihre Kunden zu erzielen. Die Ergebnisse dieses Prozesses sind unten zusammengefasst. Die endgültigen Ergebnisse wurden von den Kunden bestimmt und das Hauptziel der Studie bestand darin, die allgemeine Zuverlässigkeit der in dieser Studie verwendeten Testmethoden sicherzustellen. Entsprechend diesem Wert wurden die Testparameter (wie etwa der Frequenzbereich) maximiert. Das dritte wichtige Ziel der Kunden bestand darin, die Anzahl der durchgeführten Tests zu erhöhen, um große Datenmengen für die Analyse zu generieren. Nach der Überprüfung dieser Dokumente musste das Forschungsteam den ursprünglichen Zweck der Arbeit ändern. Dies war durch einen leichten Unterschied in der Wahrnehmung zwischen Kunden und Forschern gekennzeichnet. Das ursprüngliche Ziel des Teams bestand darin, möglichst viele Daten über einen weiten Bereich von Polyacrylamidkonzentrationen zu sammeln. Im weiteren Verlauf des Projekts wurde sein Umfang eingeengt und es stellte sich heraus, dass die Daten für zwei spezifische Konzentrationen von Polyacrylamidgel wichtiger waren als andere (8,0 % Acrylamid/0,08 % Bisacrylamid und 5,0 % Acrylamid/0,025 % Bisacrylamid). Hoffnungen). Kunden gaben an, dass diese Konzentrationen wichtig seien, da sie häufig in Zellkulturstudien verwendet würden. Dr. Billiard verwendet diese beiden Konzentrationen in seinem Labor ausgiebig. 5 %/0,025 % stellen normales gesundes Gewebe dar und 8 %/0,08 % stellen erkranktes oder fibröses Gewebe dar. Mithilfe des Designprozesses konnte das Team nachweisen, wie wichtig es ist, die Anzahl der Proben zwischen diesen beiden spezifischen Konzentrationen zu maximieren. Schließlich konnte das Team durch das Testen kleinerer Mengen einzelner Proben in mehreren Konzentrationen keine eindeutigen Ergebnisse erzielen. Jede gewählte Technologie hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Das Team bewertete die Vor- und Nachteile jeder im Anhang aufgeführten Methode und ermittelte 26.

Projektziel: Schon früh im Designprozess musste das Team die am besten geeignete Methode zur Messung der viskoelastischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen auswählen.

In der Literatur werden viele Instrumente zur Messung viskoelastischer Eigenschaften erwähnt, sie sind jedoch aus verschiedenen Gründen, darunter fehlende Ausrüstung und begrenztes Budget, nicht geeignet. Obwohl auf dem WPI-Campus ein Viskosimeter vorhanden war, war es für die erforderlichen Messungen an Polyacrylamidgelen nicht geeignet. Das Viskosimeter verwendet einen Dorn, um eine unidirektionale Scherkraft auf die Probe auszuüben und ist auf viskose oder flüssige Proben beschränkt. Wie das Viskosimeter hat sich auch die Kapillarrheometrie als ungeeignete Testmethode erwiesen, da die Probe eine Fließkomponente enthalten muss, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Zu den weiteren Methoden, die zur Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften von Gelmaterialien eingesetzt wurden, zählen die Laserfallen-Mikrometrie, die zelluläre magnetische Torsometrie, die piezoelektrisch betätigte lineare Messung und die eindimensionale Ultraschall-Elastographie. Alle oben genannten Methoden liefern interessante Daten, können jedoch in diesem Projekt nicht verwendet werden, da die Ausrüstung nicht verfügbar ist. Die folgende Tabelle zeigt die Einschränkungen der einzelnen Methoden. Einschränkungen der experimentellen Methode: Es stehen keine Präzisionsmessgeräte mit Laserfalle zur Verfügung. Es stehen keine Kosten für Geräte zur Messung der zellulären magnetischen Torsion zur Verfügung. Es stehen keine Kosten für Geräte zur Messung der Rheologie der linearen piezoelektrischen Mobilität zur Verfügung. Es sind Kosten für 1D-Ultraschallfluss und 1D-Traktion erforderlich. Es sind Geräte erforderlich. Einschränkungen alternativer Methoden. Dieses Designtool half dabei, die möglichen experimentellen Methoden einzuschränken. 27

Laserfallenmikrometer messen lokale mechanische Eigenschaften mithilfe einer Infrarot-Laserfalle und eines galvanischen Scanners (Velegol, 2001).

Bei der zytomagnetischen Torsometrie werden kleine magnetische Kügelchen in einem Gel mithilfe eines Magnetfelds rotiert. Die Winkelrotation des angewandten Drehmoments wird gemessen, sodass spezifische Parameter berechnet werden können (Butler, 1998). Die piezoelektrisch stimulierte lineare Rheometrie hat den Vorteil, dass sie mithilfe eines Auslegers eine oszillierende Scherspannung auf eine Gelprobe in einer feuchten Umgebung ausübt (Parsons, 2002). Schließlich umfasst die Ultraschall-Elastographie-Methode einen komplexen Aufbau eines Wandlers, der eine einachsige Kompression auf die Testprobe ausübt (Chen, 1996). Schließlich wurde festgestellt, dass vier Methoden der Rasterkraftmikroskopie am besten geeignet sind: sphärische Eindrücke, einachsige Spannung und Rheologie. Im Methodikkapitel weiter unten in diesem Bericht werden die Vorteile jeder dieser vier Methoden hervorgehoben. Um die Projektziele zu erreichen, erstellte das Team ein Flussdiagramm, das mögliche Wege zur Beschaffung aller für die Projektzwecke erforderlichen Informationen aufzeigt. Das Morphologiediagramm wird vom Team verwendet, um durch die Anzeige der durchschnittlichen Leistungs- und Designmetriken Methoden zur Charakterisierung der Eigenschaften von Polyacrylamidgelen zu bewerten. Funktionen definieren, was das Projekt tun soll, und Tools beschreiben mögliche Wege, auf denen das Team bestimmte Funktionen erreichen kann. 28

Mit der rheologischen AFM-Kugeleindruck-Tensiometerfunktion kann der einachsige Poisson-Spannungskoeffizient ermittelt werden.

Einachsige Kompressionsmethode, Bestimmung der Reproduzierbarkeit, Kugelgrößenbestimmungsmethode für die Kugeleindruckmethode, Plattentypen zwischen Messgeräten, Arten von Rheologiemessplatten, Arten von Ringmethoden, lokale Analyseergebnisse, Vergleichsergebnisse von AFM und Kugeleindruck, Rheologievergleich und einachsiger Spannungstest. Bestimmen Sie den Bereich zuverlässiger Härtewerte für eine bestimmte Konzentration. Verwenden Sie spezifische, zuverlässige Ergebnisse aus den Prüfverfahren AFM, Rheologie, Kugeleindruck und einachsiger Zugfestigkeit, um den Härtebereich für eine bestimmte Konzentration abzuschätzen. spezifisch. Tabelle 2: Morphologisches Diagramm, das mögliche Mittel zur Erzielung einer Projektwirksamkeit definiert. Nach der Anwendung dieses Designprozesses entschieden wir uns für die Verwendung von vier Methoden: Kugeleindruck, AFM, einachsiger Zugversuch und Rheologie. Alle diese Methoden ermöglichen die Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Polyacrylamidgelen und jede hat ihre eigenen einzigartigen Vorteile. Beispielsweise kann mit der Methode der einachsigen Zugprüfung der Wert der Poissonzahl gemessen werden, während mit der Kugeleindruck- und der AFM-Methode Eigenschaften auf lokaler Ebene gemessen werden können. Letztendlich stellten wir fest, dass unsere Kunden mehr an der Suche nach zuverlässiger Technologie interessiert waren als an der Maximierung des Konzentrationsbereichs, den sie testen konnten. 29

Methodik. Der Zweck des nächsten Kapitels besteht darin, die experimentellen Methoden für die vier in dieser Studie verwendeten Testmethoden zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Polyacrylamidgelen detailliert zu beschreiben.

Jede Methode wird einzeln beschrieben. Dabei werden die erforderlichen Einstellungen, die zum Erfassen der Daten durchgeführten Schritte und die zum Erzielen der Ergebnisse verwendeten Berechnungen erläutert. Um die Konsistenz der Ergebnisanalyse aufrechtzuerhalten, wurden durch die Kontrolle der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Gelbenetzung) Variabilitätsquellen eliminiert. Dies wurde überwacht, um während des gesamten Versuchsvorgangs eine gleichmäßige Konzentration des Gels sicherzustellen.

Die in dieser Studie verwendeten Polyacrylamidgele bestanden aus Stammlösungen von Acrylamid und N,N‘-Methylenbisacrylamid.

Beide Lösungen wurden von Bio-Rad bezogen und mit destilliertem Wasser und 1 M Hepes (pH 8,5) auf die entsprechenden Konzentrationen verdünnt: 40 % (w/v). für Acrylamid und 2 % (w/v). für Bisacrylamid. Nachdem Sie gemäß dem in Anhang 10.2 beschriebenen Protokoll eine gut gemischte Lösung hergestellt haben, muss die Mischung entgast werden, um eine ausreichende Polymerisation sicherzustellen. Schließlich werden der Lösung 10 % Ammoniumpersulfat und TEMED (N,N,N,N-Tetramethylethylendiamin) hinzugefügt, um die Polymerisation auszulösen. Nach dem Gießen der Gele mit der entsprechenden Methode, die im Abschnitt „Methodik“ dieses Berichts ausführlicher erläutert wird, wurden die Gele bei 4 °C in 50 M Hepes gelagert (Wang et al., 2002). Das ursprüngliche Protokoll war darauf ausgelegt, die für AFM erforderlichen 70 µm dicken Gele herzustellen.

Daher waren für jede einzelne Methode geringfügige Änderungen im Polymerisationsschritt des Protokolls erforderlich. Drei Methoden der Kugeleindruckprüfung, einachsiger Zugversuch und 30

Die Rheologie erfordert dickere Gele.

Das von Wang et al. vorgestellte Protokoll. Es wurde vorgeschlagen, Gele zwischen einen aktiven Objektträger und ein Deckglas zu gießen. Das Entgasen der Lösung und das Verstopfen des Gels während der Polymerisation ist sehr wichtig, da Sauerstoff als Radikalfänger wirkt und die Polymerisation verhindert. Eine unzureichende Polymerisation führt zu instabilen und ungenauen mechanischen Eigenschaften beim Testen. Um Quellen experimenteller Fehler auszuschließen, wurden Gele zwischen zwei Glasplatten polymerisiert, die eine Lösung aus Acrylamid/Bis enthielten. Die Kammer erfordert zwei parallele Glasplatten, Gummistopfen, Parafilm und Agarosegel. Zwischen den Glasplatten wurden zwei Gummidichtungen platziert und der Boden mit 1 % Agarosegel und Parafilm versiegelt, um ein Austreten von Lösungen aus der Kammer zu verhindern. Zum Verschließen und Abdichten der Objektträger mit Gummidichtungen und Agarosegel wurden Büroklammern verwendet. Anstatt 5 ml der herkömmlichen Lösung vorzubereiten, benötigte das neue Kristallisationssystem 180 ml Lösung. Die Abmessungen des Spalts zwischen den beiden Glasplatten sind in Abbildung 7 zu sehen. Abbildung 7: Glasplatten-Polymerisationsverfahren: Gummipads an den Seiten und Agarosegel an der Unterseite verhinderten das Auslaufen der Lösung.

Um eine gute Durchmischung der Lösung zu gewährleisten, wurde die Acrylamidlösung vor dem Entgasen fünf Minuten lang auf einen Rührer gestellt.

Darüber hinaus wurde die Lösung nach dem Entgasen erneut gerührt und Ammoniumpersulfat und TEMED hinzugefügt. Die Lösung wurde schnell in den Spalt zwischen den Glasplatten gegossen und durch die Volumenzunahme des Gels 1 Stunde aushärten gelassen. Das resultierende Polyacrylamid-Gelblatt, das in Abbildung 8 dargestellt ist, wurde dann mit einer Schere in kleinere Gelproben geschnitten. Abbildung 8: Polyacrylamid-Gelblatt. Durch die große Platte können mehrere Proben unter gleichen Bedingungen mit gleicher Probendicke hergestellt werden. Um den spezifischen Anforderungen der vier Methoden gerecht zu werden, wurden am obigen Protokoll geringfügige Änderungen vorgenommen. Die nachstehende Technologiemethodik behandelt diese spezifischen Änderungen und die Gründe dafür. Alle Änderungen am obigen Protokoll wurden sorgfältig vorgenommen, um die Gesamteigenschaften des getesteten Gels nicht zu beeinträchtigen. Kugeleindruck: Der Zweck des Kugeleindrucktests bestand darin, den Einfluss des Kugeldurchmessers auf die relativen Härtewerte zu bewerten. Dieser Ansatz basiert auf einer Lücke, die in einer von Dr. Wang durchgeführten Forschung festgestellt wurde. Diese Änderung wurde durch Experimente mit drei Stahlkugeln unterschiedlichen Durchmessers (0,64 mm, 1 mm und 2 mm) erreicht. Alle anderen Komponenten (Dichte und Poliermaterialien) der Kugeln wurden normalisiert, um experimentelle Variablen zu eliminieren.

Zur Erzeugung unterschiedlicher Abstände in z-Richtung wurde ein inverses Mikroskop mit daran befestigtem Mikrometer verwendet.

Um alle möglichen experimentellen Abweichungen auszuschließen (Raumbedingungen und Zeit für Entgasung und Polymerisation) wurden Polyacrylamidgele in unterschiedlichen Konzentrationen gleichzeitig hergestellt. Unmittelbar nach Abschluss der Polymerisation wurde jedes Gel in eine 50 mM HEPES-Lösung getaucht, um die Hydratisierung und kontinuierliche Quellung des Polyacrylamids aufrechtzuerhalten. Abschnitt 5.1 enthält ein detailliertes Protokoll zur Herstellung von Polyacrylamid. Eine Modifikation besteht darin, die Geldicke von 3,45 mm auf 1,75 mm zu erhöhen, um den Einschränkungen des Mikroskops Rechnung zu tragen. Für das Experiment musste die HEPES-Pufferlösung entfernt werden, um die Notwendigkeit zu vermeiden, Auftriebsvariablen in die Berechnung der angewandten Kraft einzubeziehen. Aus dem Testgel wurde nur der umgebende Puffer entfernt, die anderen beiden Gele blieben feucht. Dieser Schritt wurde durchgeführt, indem die gesamte Lösung ungehindert von der Geloberfläche abfließen gelassen wurde, um zufriedenstellende Testbedingungen zu gewährleisten, bei denen kein sichtbarer Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche vorhanden ist. Ausgehend von einer Kugel mit 0,64 mm Durchmesser wurden zehn Messungen an Gelen jeder Konzentration (0,025,5 % und 0,08,8 %) durchgeführt. Nachdem 10 Messungen auf dem ersten Gel durchgeführt wurden, wird es zurück in 50 mM HEPES gelegt, während das nächste Gel getestet wird. Schließlich wurde jede Gelprobe mit jedem der drei Kügelchen verwendet. Die Auswirkungen der Geltrocknung wurden noch nicht vollständig untersucht, daher wurde während des gesamten Experiments ein konstanter Wert beibehalten, um diesen Faktor auszuschließen. Aufgrund der hohen Variabilität bei der manuellen Messung der Kontaktpunkte wurden mehrere Messungen durchgeführt. Ziel war es, den Abstand zwischen der Unterseite des Balls und der Oberseite des Gels in einem festen Bereich von mehr als 20 von 33 verschiedenen Positionen zu bestimmen.

Gelee

Ursprünglich wurde dieser Prozess als die Entfernung von der oberen Oberfläche des Gels bis zu dem Punkt angesehen, an dem es nicht mehr sichtbar war, wenn sich der Brennpunkt weiter in das Gel hinein bewegte. Nach der Auswertung wurde festgestellt, dass diese Methode keine genaue Messung der Unterseite des Balls liefert. Stattdessen wurde bei der Messung die Beugung von Licht durch das Gel und um eine Kugel auf der Geloberfläche herum durchgeführt. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine neue Messmethode angewendet. Zuerst wurde es auf die Oberfläche des Gels fokussiert und der Mikrometer auf Null gestellt.

Dies wurde erreicht, indem die Linse auf die Oberflächendefekte des Gels fokussiert wurde. Dieser Teil der Messung kann einen Großteil der Unterschiede in den gemessenen Fingerabdruckwerten erklären, da Partikel auf der Geloberfläche das Verständnis der Position der Geloberfläche beeinträchtigen können. Wichtig ist, dass die Flächengröße mindestens einen Durchmesser vom äußeren Rand des Balls entfernt ist, damit das Gel an der Balloberfläche haften kann. Der Mittelpunkt der Kugel war die zweite Dimension zur Bestimmung der vertikalen Position des Kugelradius. Der Mittelpunkt wurde als der Punkt definiert, an dem sich ein perfekt kreisförmiger Lichtstrahl mit der größten Intensität um den sichtbaren Rand der Kugel befand.

Durch leichtes Verschieben des Objektivs nach oben oder unten wurde eine deutliche Änderung des fokussierten Lichts bewirkt, sodass diese Messung ziemlich konsistent und zur Berücksichtigung des Fokusbereichs notwendig ist. Dieser Bereich umfasst die in den erzielten Ergebnissen beobachtete Standardabweichung sowie durch das menschliche Auge verursachte Variationen. Ursprünglich lag dieser Bereich bei 40 µm, wurde jedoch durch umfangreiche Tests auf etwa 20 µm reduziert. Die Eindringdistanz wurde mithilfe der folgenden Gleichung berechnet, wobei Ms die vertikale Position der gemessenen Geloberfläche, R der bekannte Radius der Kugel und Mc 34 ist.