Изучение набухания полимерных композиционных гелей на основе полиакриловой кислоты и бентонитовых глин в водных растворах

АННОТАЦИЯ

Синтезированы полимерные композиционные гели сшитой структуры на основе полиакриловой кислоты и бентонитовых глин различных типов. Изучено кинетика набухания синтезированных композицонных гелей в водных растворах. Показано, что степень набухания композиций зависит от концентрации сшивающего агента, химического состава бентонитовой глины и значения рН-среды водного раствора.

ABSTRACT

Polymer composition gels with cross-linking structure on the base of polyacrylic acid and bentonic clay of different types have been synthesized. Kinetics of swelling of synthesized composition geles in water solution was investigated. It was shown that degree of swelling of compositions has depended on concentration of cross-linking agent, chemical composition of bentonite clay and vaunes of pH-water solution.

Ключевые слова: акриловая кислота, бентонитовая глина, полимерный гель, композиционный гель, степень сшивки, степень набухания, кинетика набухания.

Keywords: acrylic acid, bentonite clay, polymer gel, composition gel, degree of cross-linking, swelling degree, swelling kinetics.

Введение

Исследования показывают, что введение в полимерную матрицу различных активных наполнителей не только позволяет целенаправленно изменять их химические, физико-химические, механические и эксплуатационные свойства, но и приводит к появлению совершенно новых свойств. Данное направление также является перспективным и в случае полимерных гидрогелей (ПГ)- полимеров, имеющие трехмерную структуру и обладающие высокой набухаюшей способностью в водных растворах [1-4]. Чаще всего для улучшения физико-химических характеристик гидрогелей в качестве активных наполнителей используются различные глинистые материалы [7-17], одним из самых перспективных среди них являются бентонитовые глины (БГ), гидрофильные глинистые материалы слоистого строения [5-8].

Целью данной работы является синтез композиционных гидрогелей (КГ) на основе полиакриловой кислоты (ПАК) и БГ различных типов, а также изучение набухания синтезированных КГ в водных растворах.

Экспериментальная часть

Акриловую кислоту (Россия) перед использованием подвергали перегонке с помощью водоструйного насоса. Сшивающий агент (СА) - N.N’-метилен-бис-акриламид (N.N’-МБАА, BDH Chemical Ltd, Англия), использовали марки «ч». В работе для получения композиций использовали три типа БГ, добытых из месторождения «Навбахор» (Узбекистан), состав которых приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав БГ, добытых из месторождения «Навбахор»

Для получения КГ сначала готовили суспензию БГ в воде. Далее к полученной суспензии добавляли нужные количества АК и СА. Сополимеризацию проводили в течение 24 часов при 298 К. В качестве инициатора полимеризации использовали окислительно-восстановительную систему на основе пероксида водорода и сульфата железа (II). После завершения процесса полимеризации гель очищали от остатков мономера многократным промыванием дистиллированной водой и сушили при температуре 318 К до постоянной массы.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) образцов КГ проведена на микроскопе EVO MA10 (Carle Zeiss, Германия), оборудованном микроанализатором INCA Energy (Oxford Instruments, Великобритания).

Кинетику набухание полимеров изучали гравиметрическим методом в специальных ячейках, снабженных сеткой из нейлонового полимерного материала.

Полученные результаты и их обсуждение

В работе были получены ГК с использованием трех типов БГ месторождения “Навбахор”, отличающиеся составом и водо-набухающей способносты. Были получены КГ,  имеющие от 10 до 70% БГ в своем составе от общей массы композиций. Количество СА в КГ также варировали от 0,5 до 5% от массы АК в составе композиции. Полученные гели визуально представляют собой однородную структуру. Для более детального изучения структуры образцов КГ были сняты их СЭМ микрофотографии. На рис.1. приведены микрофотографии БГ типа ПБМБ (а), полимерного геля на основе АК (б) полученного без добавления БГ и КГ содержащих различные количества БГ в своем составе.

Рисунок 1. СЭМ фотографии образцов БГ (а); геля, полученного без добавления бентонита (б) и КГ (3, 4), содержащих в своем составе 15 и 50% БГ.

Из рис.1, видно, что на СЭМ микрофотографиях КГ не наблюдаются отличительных разнородностей.

На рис.2 представлены энергодисперсионный спектры гелей на основе ПАК, полученных без добавления БГ и содержащих 15% БГ (тип ПМБМ) от массы КГ (область исследования отмечен квадратом).

Рисунок 2. Энергодисперсионный рентгеновский спектр поверхности гелей на основе ПАК полученных без добавки (а) и с добавлением БГ (б)

Как видно из рис.2, результаты микроанализа показывают, что в спектре геля на основе ПАК имеются только пики, относящихся к атомам углерода и кислорода, а спектр КГ имеет боле сложный характер. В спектре КГ помимо пиков, относящихся углероду и кислороду, имеются также пики, относящиеся к металлам (Na, K, Fe, AI, Mg, и др.) и Si, которые составляют основу БГ. Это показывает, что частицы БГ при многократной промывке КГ не вымываются водой, а остаются внутри каркаса полимерной сетки.

Основной характеристикой полимерных гелей является их степень и скорость поглощения воды. При изучении набухания КГ было установлено, что их степень набухания зависит не только от степени сшивки, а  также и  состава БГ, использованного для получения данного КГ. На рис.3 приведены кинетические кривые набухания КГ в дистиллированной воде.

Рисунок 3. Кинетика набухания композиционных гелей на основе ПАК и БГ различных типов (ПБГ, ППД, ПБМБ)

Из рис. 3 видно, что скорость и степень набухания КГ сильно зависит от состава БГ, использованных при получении композиций. Самой высокую степень набухания имеет КГ, полученные на основе ПАК и БГ типа ПБМБ.

Увеличение концентрации СА в составе КГ приводит к уменьшению их степени набухания (рис.4).

Рисунок 4. Кинетика набухания КГ в воде с различной концентрацией CА

Очевидно, что уменьшение степени набухания КГ с повышением концентрации СА в их составе связано с увеличением поперечных связей в структуре геля.

Как известно, степень набухание гелей, особенно содержащих ионогенные группы, весьма чувствительна к значению рН-среды водного раствора [2, 3]. Поэтому для выявления влияния значения рН-среды водного раствора на степень набухания полученных КГ было исследовано кинетика их набухания в водных растворах, имеющих различные значения рН (рис.5).

Рисунок 5. Кинетика набухания КГ на основе ПАК и БГ (тип ПБМБ) при различных значения рН-среды водного раствора

Как видно из рис.5, с повышением значения рН-среды водного раствора степень набухания полученных КГ также увеличиваются. Это показывает, что с введением БГ в структуру гелей на основе ПАК, сохраняются их  рН-чувствительные свойства.

Таким образом, в работе синтезированы КГ на основе ПАК и БГ, имеющие различные составы. При этом обнаружено, что частицы БГ не вымываются из структуры геля даже при высоких степенях набухания. Это показывает, что при синтезе КГ образующаяся полимерная сетка прочно удерживает частицы БГ.

Список литературы:

1. Vijay Kumar Thakur, Manju Kumari Thakur. Polymer Gels: Science and Fundamentals (Gels Horizons: From Science to Smart Materials). -1st ed. -2018. –Springer. -502 pр.
2. Сулейменов И.Э., Будтова Т.В. Полимерные гидрогели в фармацевтике: физико-химические аспекты. Под ред. Панарина Е.Ф. –Алматы-Санкт-Петербург: 2004.-210 стр.
3. Филиппова О.Е. «Восприимчивые» полимерные гидрогели//Высокомолек. соед. - 2000. -Т.42(С). -№12. –С.2328-2352.
4. Zhao, X., Zhu, S., Hamielec, A.E., Pelton, R.H. Kinetics of рolyelectrolyte network formation in free-radical copolymerization of acrylic acid and bisacrylamid//Macromol.Symp. -1995. – № 92. –Р.253–300.
5. Wieczorek M., Jesionowski T., Krysztafkiewicz A. Influence of organic polymer modification on physicochemical properties of bentonites// Physicochemical Problems of Mineral Processing. -2003. -V.37. -P.131-140.
6. Syahida Farhan Azha, Shazlina Abd Hamid, Suzylawati Ismail. Development of Composite Adsorbent Coating Based Acrylic Polymer/Bentonite for Methylene Blue Removal//J. Eng. Technol. Sci. -2017. -Vol.49. -№.2. -Р.225-235.
7. Kang H., Xie J., Liu Y. Технология синтеза и абсорбционные свойства солеустойчивых полимеров//Polym. Mater. Sci. Technol. -2003. -Vol.19. -№ 6. -P.84-87.
8. Успенская М.В. Акриловые гидрогели в качестве полимерных связующих: дис. д-ра техн. наук. СПб, -2012. -318 с.