The hypothesis that three classes of water exist in hydrogels, namely X water(bulk water), Z water (bound water) and Y water(interfacial water), has been verified and generally accepted.
To further check the validity of this hypothesis and to study a more concrete concept of X, Y and Z water, several experiments have been done using poly (2, 3-dihydroxypropyl methacrylate) (PDHPMA) gels.
Bulk gel conductivity data for PDHPMA gel was obtained. The activation energy for specific conduction was obtained from the specific conductivity curve at various temperatures. A plot of the activation energy vs. volume % of water in the gels clearly indicated that three different zones, showing three classes of water in the gels. These results were confirmed by thermal expansion measurements. The high water content gels(60%) showed an extremely sharp volume change at 0℃, indicating the presence of normal bulk water. Lower water content gels(20%) showed no anomalous change in thermal expansion, indicating that the water is bound. The medium water content gels exhibited intermediate behavior. A semi-quantitative analysis of the three classes of water is presented.
The third method in this research was the dielectric relaxation study which gave new insights into the structure of water in hydrogels. At low frequencies, the dielectric constant of PDHPMA gels is much higher than that of water. It decreased continuously as the frequency increases, tending to level off at about $10^8H_Z$. The dielectric constant is lower the higher the concentration of polymer. Results are most reasonably explained by assuming the more structured phase of water the lower the dielectric constant in terms of X, Y and Z water at high frequencies.
수하겔 속의 물이 X, Y, Z 의 세가지 종류로 되어 있다는 가정은 여러가지 실험 사실로 입증 되었고 또 일반적으로 인정되고 있다. 여기서 X 라 불리우는 물은 보통의 자유로운 물과 비슷한 물이며, Z 라 불리는 물은 결정수에 가까운 성질의 물이며, Y 라 불리는 물은 그 중간체로서 계면의 물과 비슷한 것이다.
본 연구에서는 이 X, Y, Z 가정을 다시 한번 더 확인하고, 이 세가지 물에 대한 보다 확실한 개념을 얻기 위해 폴리-2,3-디히드록시프로필메타아크리레이트 수화겔로 몇가지 실험을 했다.
비전기 전도도 측정으로 이온 전기 전도에 필요한 활성화 에너지를 계산했다. 수화겔 속의 물의 비율에 대해 활성화 에너지를 도면화 해 보면, 뚜렷하게 3 구역으로 구분된다. 이 결과는 열 팽창을 측정함으로써 더욱 확실히 되었다. 물을 많이 포함하는 겔은 (60 %) 섭씨 0℃ 근방에서 매우 급격한 변화를 보여서, 보통 물을 많이 가지고 있음을 알수 있다. 물을 적게 포함하는 겔은 (20 %) 아무런 변화를 주지 않는다. 그러므로 이속에는 보통물은 없고 구속된 물 (Z) 만이 있다고 생각할 수 있다. 중간 정도의 물을 포함하는 겔은 중간적인 성질을 나타낸다. 또 이 3 종류의 물의 비율에 대해 반 정량적인 분석을 해 보았다.
본 연구에서는 또 수화겔 속의 물의 구조를 알기 위해 여러 진동수에 대한 유전 이완을 실험했다. 진동수가 작을 때는 수화겔의 유전상수가 물보다 크나 진동수가 커짐에 따라 점점 작아져서 100 메가헤르츠 정도 에서는 거의 수평화된다. 고분자의 농도가 클수록 유전 상수는 작아진다. 이 결과는 높은 진동수에서는 물의 구조가 고체와 같이 질서를 가진 구조가 많을수록 유전 상수는 작아진다고 생각함으로써 가장 합리적으로 설명될 수 있다.
