Zwelprocessen

Zwelprocessen zijn processen waarbij een materiaal water of een ander oplosmiddel opneemt en daardoor in volume toeneemt. Ze komen voor in veel systemen, zoals polymeren en hydrogels, kleibodems en bouwmaterialen. Zwel beïnvloed eigenschappen als mechanische sterkte, porositeit en permeabiliteit en is veelbesproken in materiaalwetenschap, geotechniek en biomedische toepassingen.

Het zwel wordt primair aangedreven door diffusie van water in een netwerk en door de balans tussen osmotische krachten en de elasticiteit van het netwerk. Een netwerk met lagere crosslink density zwelt doorgaans meer, omdat het netwerk gemakkelijker kan uitzetten. De hoeveelheid zwel wordt beïnvloed door factoren zoals ionen van het oplosmiddel, temperatuur, pH en de samenstelling van het netwerk. De aanwezigheid van ionen en de aard van het oplosmiddel kunnen de osmose en de interpenetratie van water in het materiaal sterk beïnvloeden.

In hydrogels kan zwel leiden tot aanzienlijke volumeveranderingen, wat relevant is voor toepassingen zoals medicijnafgifte, sensoren en contactlenzen. In kleibodems zorgt zwel voor veranderingen in druk en porositeit en speelt het een rol bij funderings- en constructieproblemen; zwelmateriaal reageert op wateropname en op de aanwezigheid van multivalente kationen zoals Ca2+ en Mg2+.

Modellering van zwel omvat vaak de Flory-Rehner-theorie voor evenwichtszwel van chemisch gebonden netwerken en, voor dynamische processen, poro-elastische modellen die waterdiffusie en netwerkelasticiteit combineren. Een gangbare maat voor zwel is de zwelverhouding Q = V/V0, waarbij V het geabsorbeerde volume is en V0 het oorspronkelijke volume. Toepassingen omvatten hydrogel-gebaseerde systemen, bouwmaterialen met gecontroleerde zwel en geotechnische ontwerpen.